JP3839644B2 - Exchange coupling film, magnetoresistive element using the exchange coupling film, and thin film magnetic head using the magnetoresistive element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反強磁性層と強磁性層とから成り、前記反強磁性層と強磁性層との界面にて発生する交換結合磁界により、前記強磁性層の磁化方向が一定の方向にされる交換結合膜に係り、特に大きい前記交換結合磁界を得られるようにした交換結合膜およびこの交換結合膜を用いた磁気抵抗効果素子(スピンバルブ型薄膜素子、AMR素子)、ならびに前記磁気抵抗効果素子を用いた薄膜磁気ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
スピンバルブ型薄膜素子は、巨大磁気抵抗効果を利用したGMR(giant magnetoresistive)素子の1種であり、ハードディスクなどの記録媒体からの記録磁界を検出するものである。
【0003】
このスピンバルブ型薄膜素子は、GMR素子の中でも比較的構造が単純で、しかも弱い磁界で抵抗が変化するなど、いくつかの優れた点を有している。
【0004】
前記スピンバルブ型薄膜素子は、最も単純な構造で、反強磁性層、固定磁性層、非磁性中間層およびフリー磁性層から成る。
【0005】
前記反強磁性層と固定磁性層とは接して形成され、前記反強磁性層と固定磁性層との界面にて発生する交換異方性磁界により、前記固定磁性層の磁化方向は一定方向に単磁区化され固定される。
【0006】
フリー磁性層の磁化は、その両側に形成されたバイアス層により、前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向に揃えられる。
【0007】
前記反強磁性層には、Fe−Mn(鉄−マンガン)合金膜、Ni−Mn(ニッケル−マンガン)合金膜、あるいはPt−Mn(白金−マンガン)合金膜等が一般的に使用されているが、この中でも特にPt−Mn合金膜はブロッキング温度が高く、しかも耐食性に優れるなど種々の優れた点を有しており、脚光を浴びている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで本発明者らは、反強磁性層にPtMn合金膜を使用しても前記反強磁性層と固定磁性層間で発生する交換結合磁界は小さくなる場合があることがわかった。
【0009】
前記反強磁性層にPtMn合金膜を使用した場合には、前記反強磁性層及び固定磁性層を積層した後、熱処理を施すことによって、前記反強磁性層を不規則格子から規則格子へ変態させ、これによって交換結合磁界を生じさせることができる。
【0010】
しかしながら前記反強磁性層と固定磁性層との界面で、反強磁性層を構成する反強磁性材料の原子と、固定磁性層を構成する軟磁性材料の原子とが1対1に対応する、いわゆる整合状態になっていると、前記反強磁性層は上記した規則変態を適切に起せず、大きな交換結合磁界は生じ得ない。
【0011】
従来では上記した整合状態は、例えば反強磁性層の{111}面が、前記固定磁性層との界面と平行な方向に優先配向し、同様に固定磁性層の{111}面が、前記界面と平行な方向に優先配向した場合のように、反強磁性層と固定磁性層の結晶配向が、前記界面で同じになっているときに起こり得ると考えられていた。
【0012】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、反強磁性層として、元素X(Xは白金族元素)とMnとを含有する反強磁性材料を用いた場合、大きい交換異方性磁界を発生することができるようにした交換結合膜、およびこの交換結合膜を用いた磁気抵抗効果素子、ならびに前記磁気抵抗効果素子を用いた薄膜磁気ヘッドに関する。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反強磁性層と強磁性層とが接して形成され、前記反強磁性層と強磁性層との界面に交換結合磁界が発生し、前記強磁性層の磁化方向が一定方向にされる交換結合膜において、
前記反強磁性層は、元素X(ただしXは、Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうち1種または2種以上の元素である)とMnとを含有する反強磁性材料で形成され、
前記反強磁性層と強磁性層の前記界面と平行な方向に配向する結晶面は、互いに同じ等価な結晶面が優先配向し、前記結晶面内に存在する、同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層及び強磁性層とで互いに異なる方向を向いていることを特徴とするものである。
【0014】
本発明では、前記結晶面は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましい。また前記結晶軸の方向は、代表的に<110>方向として表される等価な結晶軸の方向であることが好ましい。
【0015】
本発明では、上記したように反強磁性層及び強磁性層の前記界面と平行な方向に配向する結晶面は、互いに同じ等価な結晶面が優先配向している。既に述べたように、同じ等価な結晶面が反強磁性層と強磁性層とで膜面と平行な方向に優先配向していると、前記界面では反強磁性層側の原子の配列と、強磁性層側の原子の配列とが1対1に対応する、いわゆる整合状態になりやすく、この結果、前記反強磁性層は適切な規則変態を起せず、大きな交換結合磁界を生じ得ないものと考えられていた。
【0016】
しかしながら本発明者らは、反強磁性層と強磁性層の同じ等価な結晶面が界面と平行な方向に優先配向している場合でも、熱処理によって前記反強磁性層を適切に規則変態させ、大きな交換結合磁界が得られることを見出したのである。
【0017】
本発明では、上記のように、前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層と強磁性層とで互いに異なる方向を向いている。
【0018】
図14は本発明の交換結合膜を構成する反強磁性層と強磁性層との結晶配向を模式図的に示した部分斜視図である。
【0019】
符号4は、元素X(ただしXは、Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうち1種または2種以上の元素である)とMnとを含有する反強磁性材料で形成された反強磁性層を、符号3は例えばNiFe系合金等で形成された強磁性層を表している。
【0020】
図14に示す前記反強磁性層4は、強磁性層3との界面において、(111)面が優先配向している。同様に強磁性層3においても前記界面において(111)面が優先配向している。
【0021】
図14に示すように、前記(111)面に対し膜面垂直方向(図示c方向)をなす結晶軸の方向は[111]方向であり、上記したように反強磁性層4及び強磁性層3の(111)面は共に前記界面と平行な方向に優先配向しているから、前記反強磁性層4の[111]方向及び強磁性層3の[111]方向は共に同じ方向を向いている(図示c方向)。
【0022】
ここで(111)面は、ミラー指数を用いて表した単結晶構造の場合における結晶面(実格子面;すなわち回折図形においては逆格子面)を示し、前記(111)面と等価(同等)な結晶面として他に(−111)面、(1−11)面、(11−1)面、(−1−11)面、(1−1−1)面、(−11−1)面、(−1−1−1)面が存在する。なお本明細書では、これら等価な結晶面を特に区別せず、等価な結晶面のいずれかを示すときは、代表的に{111}面と表記する。
【0023】
また[111]方向、及び下記に示す[110]方向は、上記した等価な結晶面の結晶軸方向を示す。前記[111]方向には、等価(同等)な[-111]方向、[11-1]方向、[1-11]方向、[-1-11]方向[1-1-1]方向、[-11-1]方向、[-1-1-1]方向が存在し、前記[110]方向には、等価な[-110]方向、[1-10]方向、[-1-10]方向、[−10−1]方向、[101]方向、[−101]方向、[10−1]方向、[011]方向、[01−1]方向、[0−11]方向、[0−1−1]方向が存在する。これら等価な結晶軸方向のいずれかを示す場合、代表的に<111>方向及び<110>方向と記載する。
【0024】
とこで図14に示す交換結合膜では、前記(111)面内に存在する結晶軸のうち、例えば[110]方向を例に取ると、反強磁性層4における前記[110]方向は図示a方向を向いている。
【0025】
ところが、前記強磁性層3における前記[110]方向は図示a方向には向いておらず、図示a方向から図示b方向に傾いており、したがって前記反強磁性層4の[110]方向と強磁性層3の[110]方向は互いに異なった方向を向いていることがわかる。
【0026】
このように本発明における交換結合膜では、反強磁性層4と強磁性層3の膜面と平行な方向に配向する結晶面は、互いに同じ等価な面が優先配向するものの、前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部は、前記反強磁性層4と強磁性層3とで異なる方向を向いている構成となっている。
【0027】
そしてこのような結晶配向を有することで、前記界面における反強磁性層4側の原子の並びと、強磁性層3側における原子の並びとが1対1に対応しづらくなる。
【0028】
上記した結晶配向を有する場合、前記反強磁性層4は前記強磁性層3の結晶構造に拘束されずに、熱処理の際に適切な規則変態を起したものと考えられ、従来に比べて大きな交換結合磁界を発生させることができるのである。
【0029】
図15は比較例としての交換結合膜の結晶配向を模式図的に示した部分斜視図である。
【0030】
この交換結合膜における符号31は、元素X(ただしXは、Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうち1種または2種以上の元素である)とMnとを含有する反強磁性材料で形成された反強磁性層であり、符号30は、例えばNiFe系合金等で形成された強磁性層である。
【0031】
図15における交換結合膜と同様に、反強磁性層31及び強磁性層30の(111)面は、共に膜面方向に優先配向している。
【0032】
前記反強磁性層31及び強磁性層30の(111)面は共に前記膜面と平行な方向に優先配向しているために、前記(111)面に対し膜面垂直方向をなす[111]方向は共に同じ図示c方向を向いている。
【0033】
一方、この交換結合膜では、前記(111)面内に存在する結晶軸の方向のうち、例えば[110]方向は、反強磁性層31及び強磁性層30共に同じ図示a方向を向いていることがわかる。
【0034】
上記のような結晶配向を有する交換結合膜は、成膜段階において反強磁性層31と強磁性層30とがエピタキシャル的に成長して成膜されることにより生じ易い。エピタキシャル的に成長すると、反強磁性層31と強磁性層30との結晶配向は膜面と平行な方向に同一結晶面が優先配向するのみならず、前記膜面と平行な位置関係にない、その他の結晶面においても、反強磁性層31と強磁性層30とで平行状態を保ちやすい。
【0035】
上記した結晶配向を有することで、反強磁性層31と強磁性層30との界面では、各層を構成する原子の配列が1対1に対応し易くなる。よって前記結晶配向を有する場合、反強磁性層31は強磁性層30の結晶構造に拘束されて、適切な規則変態を起していないと考えられ、交換結合磁界は小さくなってしまうのである。
【0036】
以上のように本発明では、反強磁性層と強磁性層との膜面と平行な方向における結晶面は、同じ等価な面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層と強磁性層とで互いに異なる方向を向くものであるが、このような結晶配向は、以下に説明する透過電子線回折像から判別することが可能である。
【0037】
本発明は、反強磁性層と強磁性層とが接して形成され、前記反強磁性層と強磁性層との界面に交換結合磁界が発生し、前記強磁性層の磁化方向が一定方向にされる交換結合膜において、
前記界面と平行方向から電子線を入射させて得られた反強磁性層及び強磁性層の透過電子線回折像には、互いにそれぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、
前記回折斑点のうち、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いに一致し、
同じ指数付けがなされ、且つ前記ビーム原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第二仮想線は、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで互いにずれていることを特徴とするものである。
【0038】
また本発明は、反強磁性層と強磁性層とが接して形成され、前記反強磁性層と強磁性層との界面に交換結合磁界が発生し、前記強磁性層の磁化方向が一定方向にされる交換結合膜において、
前記界面と平行方向から電子線を入射させて得られた反強磁性層及び強磁性層の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、
前記回折斑点のうち、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで互いに一致し、
前記ビーム原点からみたときに、前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点が反強磁性層あるいは強磁性層の回折像の一方のみに現れることを特徴とする特徴とするものである。
【0039】
本発明では、前記膜厚方向に位置する回折斑点は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面を示していることが好ましい。
【0040】
上記の発明では、前記界面と平行方向から電子線を入射させて得られた透過電子線回折像を用いて、本発明における反強磁性層と強磁性層との結晶配向を規定している。
【0041】
ここで透過電子線回折像とは、透過型電子顕微鏡等により対象物に電子線を入射し透過させたときに、電子線の散乱(ブラッグ反射)によって起こる回折現象を示す像である。
【0042】
一般的な単結晶構造から得られる指数付けされた回折図形をもとに、上記の回折像に現れた回折班点に指数付けを行い、これによって前記反強磁性層と強磁性層の結晶配向を調べることができる。
【0043】
上記のように本発明では、回折斑点のうち、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで互いに一致している。これは前記界面と平行な方向に、前記反強磁性層と強磁性層とで同じ結晶面が優先配向をしていることを意味する。
【0044】
次に、同じ指数付けがなされ、且つ前記ビーム原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第二仮想線は、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで互いにずれている。あるいは前記ビーム原点からみたときに、前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点が反強磁性層あるいは強磁性層の回折像の一方のみに現れる。これは前記膜面と平行な方向以外に位置する結晶面については、反強磁性層と強磁性層とで平行関係になく前記結晶面は、反強磁性層と強磁性層とでずれた状態になっているのである。
【0045】
すなわち本発明では、反強磁性層と強磁性層との結晶面は、前記界面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向するが、それ以外の結晶面は反強磁性層と強磁性層とで平行関係になく、これによって前記界面で反強磁性層の原子の配列と強磁性層の原子の配列は1対1の関係にないものと推測される。
【0046】
図16,17は、積層膜(スピンバルブ膜)を膜厚方向から切断し、その断面と垂直な方向(すなわち膜面と平行な方向)から電子線を入射させて得た透過電子線回折像である。なお図16に示す透過電子線回折像は、反強磁性層と、前記反強磁性層以外の層の両方に同時に電子線が照射されるような電子線の口径のもので得たものである。
【0047】
また図18は図16に示す透過電子線回折像の模式図であり、図19は図17に示す透過電子線回折像の模式図である。
【0048】
図16は、以下の膜構成より成る本発明のスピンバルブ膜から測定した透過電子線回折像である。
Al2O3(3nm)/Ta(3nm)/シードレイヤ:Ni80Fe20(2nm)/反強磁性層:Pt54Mn46(15nm)/固定磁性層:[Co(1.5nm/Ru(0.8nm)/Co(2.5nm)]/非磁性中間層:Cu(2.5nm)/フリー磁性層:[Co(1nm)/Ni80Fe20(3nm)]/バックド層:Cu(1.5nm)/保護層:Ta(1.5nm)/Ta酸化膜。
【0049】
また図17は、以下の膜構成より成る比較例のスピンバルブ膜から測定した透過電子線回折像である。
Al2O3(3nm)/Ta(3nm)/シードレイヤ:Ni80Fe20(2nm)/反強磁性層:Pt44Mn56(13nm)/固定磁性層:[Co(1.5nm/Ru(0.8nm)/Co(2.5nm)]/非磁性中間層:Cu(2.5nm)/フリー磁性層:[Co(1nm)/Ni80Fe20(3nm)]/バックド層:Cu(1.5nm)/保護層:Ta(1.5nm)/Ta酸化膜。
【0050】
なお上記した膜構成の括弧書きの数値は、各層の膜厚を示している。また図16に示す電子線回折像には、ミラー指数で表された結晶面の表記において、数字「1」の上に「−」(バー)が付されているが、これは「−1」(マイナス1)のことであり、明細書上ではすべて「−1」と表記する。
【0051】
図16に示すように実施例の透過電子線回折像では、膜厚方向に(1−11)面と指数付けされた反強磁性層(PtMn)の回折斑点が現れていることがわかる。同様に前記膜厚方向には、(1−11)面と指数付けされた前記反強磁性層以外の層(電子線回折像上にはfcc−Co/Cu/NiFeと示されている)の回折斑点が現れていることがわかる。
【0052】
上記回折斑点を図18に示す模式図上に表すと、反強磁性層の回折像における(1−11)面と指数付けされた回折斑点からビームの原点までを結んだ第一仮想線と、前記反強磁性層以外の層の回折像における(1−11)面と指数付けされた回折斑点からビームの原点までを結んだ第一仮想線は、共に一致することがわかる。
【0053】
また図16に示すように実施例の透過電子線回折像では、膜厚方向以外の方向に(−111)面と指数付けされた反強磁性層(PtMn)の回折斑点が現れていることがわかる。同様に膜厚方向以外の方向に、(−111)面と指数付けされた前記反強磁性層以外の層(電子線回折像上にはfcc−Co/Cu/NiFeと示されている)の回折斑点が現れていることがわかる。
【0054】
しかしながら図18に示すように、前記各回折斑点とビームの原点とを結んだ第二仮想線は互いに一致せず、ずれた状態となっていることがわかる。
【0055】
すなわち実施例における電子線回折像からわかることは、反強磁性層及び強磁性層とでは膜厚と平行な方向に、代表的に{111}面として表される等価な同じ結晶面が優先配向するが、前記膜面と平行に配向する結晶面以外の結晶面では、反強磁性層と強磁性層とで平行関係にないということである。
【0056】
なお図16、18に示した例においては、反強磁性層と強磁性層の両方の(−111)回折斑点、すなわち膜厚方向以外の方向に存在する回折斑点が現れているが、どちらか一方の層の結晶方位が膜厚方向を軸として更に回転した関係の方位にある場合には、どちらか一方の層の(−111)回折斑点が回折像中に現れない場合も有り得る。かかる場合においても、前記膜面と平行に配向する結晶面以外の結晶面では、反強磁性層と強磁性層とで平行関係にないことを意味する。
【0057】
一方、図17に示すように比較例の透過電子線回折像では、膜厚方向に反強磁性層(PtMn)の{111}面の回折斑点が現れていることがわかる。同様に前記膜厚方向には、前記反強磁性層以外の層(電子線回折像上にはfcc−Co/Cu/NiFeと示されている)の{111}面の回折斑点が現れていることがわかる。
【0058】
なお図17に示す透過電子線回折像に現れた回折班点を、(111)面、(11−1)面等の等価な結晶面として表記せず、これら等価な結晶面をすべて含む表現の{111}面と明記したのは、図16の場合と異なり、膜厚方向以外の方向に存在する他の{111}回折斑点(例えば(−111))について、説明上、言及する必要がなかったからである。
【0059】
また図17に示すように比較例の透過電子線回折像では、膜厚方向以外の方向に反強磁性層(PtMn)の{200}面の回折斑点が現れていることがわかる。同様に膜厚方向以外の方向に、前記反強磁性層以外の層(電子線回折像上にはfcc−Co/Cu/NiFeと示されている)の{200}面の回折斑点が現れていることがわかる。
【0060】
図19に示す模式図を見てわかるように、比較例の透過電子線回折像では、ビーム原点から見て膜厚方向に反強磁性層及び強磁性層の{111}面の回折斑点が現れ、前記回折斑点と前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、反強磁性層及び強磁性層の回折像で共に一致し、しかもビーム原点から見て膜厚方向以外の方向に現れた{200}面の回折斑点と前記ビーム原点とを結んだ第二仮想線もまた、前記反強磁性層及び強磁性層の回折像で共に一致しているのである。
【0061】
すなわち比較例では、膜面方向以外の方向に現れる結晶面においても反強磁性層と強磁性層とで平行な関係にあり、これは反強磁性層と強磁性層がエピタキシャル的に成長したものと推測され、前記反強磁性層と強磁性層との界面において、前記反強磁性層の原子の配列と、強磁性層の原子の配列とが1対1に対応する、いわゆる整合状態になりやすくなっている。そして前記整合状態では、前記反強磁性層は熱処理によって適切な規則変態を起すことができず、大きな交換結合磁界を発揮し得ない。
【0062】
実際に比較例の膜構成により形成されたスピンバルブ膜の交換結合磁界(Hex)を測定したところ、0.24×104(A/m)程度と低い交換結合磁界しか得られなかった。
【0063】
これに対し本発明では、反強磁性層と強磁性層との界面と平行な方向には、同じ等価な結晶面が優先配向しているものの、他の結晶面では前記反強磁性層と強磁性層とでは平行関係にない。これはいわば、前記界面に対して垂直方向を軸にして、反強磁性層と強磁性層との結晶方位が回転したような状態であり、前記界面と平行方向に優先配向した結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、反強磁性層側と強磁性層側とで異なった方向を向いていることを意味するものである。
【0064】
したがって前記界面において反強磁性層の原子の配列と、強磁性層の原子の配列とが1対1の関係にはなく、反強磁性層に熱処理を施した際、前記反強磁性層は強磁性層の結晶構造に拘束されることなく適切な規則変態を起したものと考えられ、従来に比べて大きな交換結合磁界を得ることができるのである。
【0065】
実際に上記の実験で使用した本発明のスピンバルブ膜の交換結合磁界(Hex)を測定してみたところ、10.9×104(A/m)という非常に大きな交換結合磁界を得ることができた。
【0066】
さらに本発明は、反強磁性層と強磁性層とが接して形成され、前記反強磁性層と強磁性層との界面に交換結合磁界が発生し、前記強磁性層の磁化方向が一定方向にされる交換結合膜において、
前記界面と垂直方向から電子線を入射させて得られた反強磁性層及び強磁性層の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、
前記回折斑点のうち、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで同じ指数付けがなされた、ある回折斑点からビーム原点までを結んだ仮想線は、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで互いにずれていることを特徴とするものである。
【0067】
あるいは本発明は、反強磁性層と強磁性層とが接して形成され、前記反強磁性層と強磁性層との界面に交換結合磁界が発生し、前記強磁性層の磁化方向が一定方向にされる交換結合膜において、
前記界面と垂直方向から電子線を入射させて得られた反強磁性層及び強磁性層の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、
前記回折斑点のうち、ある指数付けがされた回折斑点が、反強磁性層あるいは強磁性層の回折像の一方のみに現れ、
前記反強磁性層と強磁性層の前記界面と平行な結晶面は、互いに同じ等価な結晶面が優先配向し、前記結晶面内に存在する、同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層及び強磁性層とで互いに異なる方向を向いていることを特徴とするものである。
【0068】
本発明では、前記界面と垂直な方向は、代表的に<111>方向として表される等価な結晶軸の方向であることが好ましい。
【0069】
また本発明では、反強磁性層及び強磁性層の前記界面と平行な結晶面は、代表的に[111]面として表される等価な結晶面であることが好ましい。
【0070】
この発明では、透過電子線回折像は、前記界面と垂直方向から測定したものである。
【0071】
反強磁性層の透過電子線回折像及び、強磁性層の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れる。
【0072】
さらに前記回折斑点のうち、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで同じ指数付けがなされた、ある回折斑点からビーム原点までを結んだ仮想線は、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで互いにずれているものである。あるいはある回折斑点が、一方の回折像にのみ現れ他方には現れない。これは、前記界面と平行な方向に位置しない他の結晶面は、反強磁性層と強磁性層とで平行関係にないことを意味している。
【0073】
つまり本発明では、反強磁性層及び強磁性層は、共に膜面方向に同じ等価な結晶面が優先配向しているが、前記膜面方向に配向しない他の結晶面は、前記反強磁性層と強磁性層とで平行関係になく、これはいわば前記界面に対して垂直方向を軸とし、前記反強磁性層と強磁性層との結晶方位がある角度で回転したような状態であり、前記界面において、反強磁性層の原子の配列と、強磁性層の原子の配列とが1対1に対応していないものと考えられる。
【0074】
上記した透過電子線回折像を概念的に示したのが図20ないし図22である。図20に示す透過電子線回折図形は、PtMn結晶の電子線回折図形、図21は、強磁性層(fcc−Co)結晶の電子線回折図形、図22は、図20と図21を、それぞれの図形に示す(000)の回折斑点(ビーム原点)を一致させて重ね合わせた図形である。
【0075】
なお図20に示す黒丸が回折斑点であり、各回折斑点に指数付けされた数値が記載されている。同様に図21に示す白丸は回折斑点であり、各回折斑点に指数付けされた数値が記載されている。
【0076】
図20に示すように、ビーム原点(000)と回折斑点(−2−24)とを結ぶ結晶軸方向は[−1−12]方向を示している。またビーム原点(000)と回折斑点(2−20)とを結ぶ結晶軸方向は[1−10]方向を示している。
【0077】
図21に示す回折図形にも図20に示すのと同様に、同じ指数付けがなされ、[−1−12]方向及び[1−10]方向が示されているが、これらの結晶軸方向は、図20に示す対応する結晶軸方向と異なる方向を向いていることがわかる。
【0078】
すなわち図20に示す回折図形と図21に示す回折図形を重ね合わせた図22を見てわかるように、反強磁性層の回折斑点(−2−24)とビーム原点(000)を結んだ仮想線▲1▼と、強磁性層の回折斑点(−2−24)とビーム原点(000)とを結んだ仮想線▲2▼とはずれた状態となっており、同様に反強磁性層の回折斑点(2−20)とビーム原点(000)とを結んだ仮想線▲3▼と強磁性層の回折斑点(2−20)とビーム原点(000)とを結んだ仮想線▲4▼とはずれた状態となっていることがわかる。
【0079】
上記した透過電子線回折図形からわかることは結局のところ、図14を用いて説明した本発明の結晶配向と同様に、反強磁性層及び強磁性層は、膜面と平行な方向に互いに同じ等価な結晶面が優先配向しているが、前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の方向が、前記反強磁性層と強磁性層とで互いに異なる方向を向き、換言すれば、前記膜面と平行な方向に配向しない他の結晶面では、反強磁性層と強磁性層とで非平行な状態になっているのである。
【0080】
また図23ないし図25は比較例における透過電子線回折図形を表し、図23は反強磁性層(PtMn)結晶の透過電子線回折図形、図24は強磁性層(fcc−Co)結晶の透過電子線回折図形、図25は図23と図24との各回折図形に現れるビーム原点同士を一致させて重ね合わせた回折図形である。
【0081】
図23及び24に示すように、反強磁性層及び強磁性層の回折斑点(−2−24)とビーム原点とを結ぶ結晶軸方向[−1−12]方向は、互いに同じ方向を向き、また反強磁性層及び強磁性層の回折斑点(2−20)とビーム原点とを結ぶ結晶軸方向[1−10]方向もまた互いに同じ方向を向いている。
【0082】
すなわち図25に示すように、回折斑点(−2−24)とビーム原点とを結んだ仮想線▲5▼は反強磁性層の回折図形と強磁性層の回折図形とで互いに一致し、同様に回折斑点(2−20)と原点とを結んだ仮想線▲6▼もまた反強磁性層の回折図形と強磁性層の回折図形とで互いに一致しているのである。
【0083】
比較例では、反強磁性層及び強磁性層は、膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向するのみならず、前記結晶面内に存在する、同じ等価な結晶軸の方向同士もまた反強磁性層と強磁性層とで完全に一致し、これは、前記膜面と平行な方向に位置しない他の結晶面においても、反強磁性層と強磁性層とで平行な関係を有していることを意味する。
【0084】
以上のように本発明では、図16ないし図25に示す透過電子線回折像を用い、本発明のスピンバルブ膜と比較例のスピンバルブ膜との回折像から判別できる相違点を説明したが、本発明のような透過電子線回折像は、反強磁性層と強磁性層が膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が前記反強磁性層と強磁性層とで互いに異なる方向を向いていることの立証になり得る。
【0085】
上記したような本発明の構成は、例えば以下に説明するシードレイヤが設けられる場合に達成される。
【0086】
本発明では、前記交換結合膜は、下から反強磁性層、強磁性層の順に積層され、前記反強磁性層の下側には、結晶構造が主として面心立方晶から成り、しかも前記界面と平行な方向に{111}面と等価な結晶面が優先配向したシードレイヤが形成されていることが好ましい。
【0087】
このように本発明では反強磁性層の下側にシードレイヤを設けることで、前記反強磁性層及び強磁性層は膜面と平行な方向に、代表的に{111}面として表される等価な結晶面が優先配向する。このように膜面と平行な方向に同じ結晶面が揃うことで、従来に比べて大きな抵抗変化率(ΔR/R)を得ることが可能である。
【0088】
また本発明では、前記シードレイヤは、NiFe合金、あるいはNi−Fe−Y合金(ただしYは、Cr,Rh,Ta,Hf,Nb,Zr,Tiから選ばれる少なくとも1種以上)で形成されることが好ましい。また本発明では、前記シードレイヤは室温で非磁性であることが好ましい。
【0089】
さらに本発明では前記シードレイヤの下には、Ta,Hf,Nb,Zr,Ti,Mo,Wのうち少なくとも1種以上の元素で形成された下地層が形成されていることが好ましい。
【0090】
また本発明では、強磁性層とシードレイヤとの界面の少なくとも一部は非整合状態であることが好ましい。
【0091】
また前記反強磁性層は、元素XとX′(ただし元素X′は、Ne,Ar,Kr,Xe,Be,B,C,N,Mg,Al,Si,P,Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,Zr,Nb,Mo,Ag,Cd,Sn,Hf,Ta,W,Re,Au,Pb、及び希土類元素のうち1種または2種以上の元素である)とMnとで形成されていてもよい。この場合、前記反強磁性材料は、元素XとMnとで構成される空間格子の隙間に元素X′が侵入した侵入型固溶体であり、あるいは、元素XとMnとで構成される結晶格子の格子点の一部が、元素X′に置換された置換型固溶体であることが好ましい。これによって反強磁性層の格子定数を広げることができ、強磁性層との界面において、前記強磁性層の原子配列に対して1対1に対応しない原子配列を形成することが可能である。
【0092】
ところで、上記した結晶配向を有する交換結合膜を得るための他の重要な点は反強磁性層を構成する各構成元素の組成比である。
【0093】
大きな交換結合磁界を得るには、反強磁性層を成膜したとき、反強磁性層と強磁性層とが界面の少なくとも一部において非整合状態を保ち、しかも前記反強磁性層が熱処理によって適切な規則変態を起すことが必要であるが、このような非整合状態、及び規則変態を適切に引き起こすか否かは反強磁性層の組成比によるところが大きい。
【0094】
本発明では、前記元素Xあるいは元素X+X′の組成比(原子%)は、45(at%)以上60(at%)以下であることが好ましい。後述する実験結果により、前記元素Xあるいは元素X+X′の組成比が上記範囲内であると少なくとも1.58×104(A/m)以上の交換結合磁界を得ることができる。なおより好ましくは、前記元素Xあるいは元素X+X′の組成比は、49(at%)以上56.5(at%)以下であり、これによって7.9×104(A/m)以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【0095】
上記した組成範囲内であると反強磁性層は強磁性層との界面で非整合状態を保ち、しかも前記反強磁性層は熱処理によって適切な規則変態を引き起こすことができる。
【0096】
そして熱処理を施した後の状態では、前記反強磁性層と強磁性層は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在するある結晶軸の少なくとも一部は前記反強磁性層と強磁性層とで互いに異なる方向を向いているのである。
【0097】
なお本発明では、熱処理を施した後の状態において反強磁性層と強磁性層の界面の少なくとも一部は、非整合状態であることが好ましい。
【0098】
本発明では、上記した交換結合膜を様々な磁気抵抗効果素子に適用できる。
本発明は、反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される強磁性層と、前記強磁性層に非磁性中間層を介して形成されたフリー磁性層と、前記フリー磁性層の磁化方向を前記強磁性層の磁化方向と交叉する方向へ揃えるバイアス層とを有する磁気抵抗効果型素子において、
前記反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された強磁性層とが、請求項1ないし請求項19のいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とするものである。
【0099】
また本発明は、反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される強磁性層と、前記強磁性層に非磁性中間層を介して形成されたフリー磁性層とを有し、前記フリー磁性層の上側または下側に、トラック幅方向に間隔を空けて反強磁性のエクスチェンジバイアス層が形成された磁気抵抗効果型素子において、
前記反強磁性層と強磁性層とが、上記した交換結合膜により形成され、前記フリー磁性層の磁化が一定方向にされることを特徴とするものである。
【0100】
また本発明は、フリー磁性層の上下に積層された非磁性中間層と、一方の前記非磁性中間層の上および他方の非磁性中間層の下に位置する強磁性層と、一方の前記強磁性層の上および他方の強磁性層の下に位置して、交換異方性磁界によりそれぞれの強磁性層の磁化方向を一定の方向に固定する反強磁性層と、前記フリー磁性層の磁化方向を前記強磁性層の磁化方向と交叉する方向に揃えるバイアス層とを有する磁気抵抗効果型素子において、
前記反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された強磁性層とが、上記した交換結合膜により形成されていることを特徴とするものである。
【0101】
さらに本発明は、非磁性層を介して重ねられた磁気抵抗層と軟磁性層とを有し、前記磁気抵抗層は強磁性層で形成され、前記磁気抵抗層の上側あるいは下側にトラック幅方向に間隔を空けて反強磁性層が形成された磁気抵抗効果型素子において、
前記反強磁性層と磁気抵抗層とが、上記した交換結合膜により形成されていることを特徴とするものである。
【0102】
また本発明における薄膜磁気ヘッドは、上記した磁気抵抗効果素子の上下にギャップ層を介してシールド層が形成されていることを特徴とするものである。
【0103】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の全体構造をABS面側から見た断面図である。なお、図1ではX方向に延びる素子の中央部分のみを破断して示している。
【0104】
このシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するものである。なお、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向はZ方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向はY方向である。
【0105】
図1の最も下に形成されているのはTa,Hf,Nb,Zr,Ti,Mo,Wのうち1種または2種以上の元素などの非磁性材料で形成された下地層6である。前記下地層6は、その上に形成されるシードレイヤ22の{111}面として表される等価な結晶面を、膜面と平行な方向に優先配向させるために設けられたものである。前記下地層6は例えば50Å程度の膜厚で形成される。
【0106】
前記シードレイヤ22は、主として面心立方晶から成り、前記反強磁性層4との界面と平行な方向に、代表的に{111}面として表される等価な結晶面が優先配向されている。前記シードレイヤ22は、NiFe合金、あるいはNi−Fe−Y合金(ただしYは、Cr,Rh,Ta,Hf,Nb,Zr,Tiから選ばれる少なくとも1種または2種以上)で形成されることが好ましい。
【0107】
ここで「等価な結晶面」とは、ミラー指数を用いて表した結晶格子面を示し、前記{111}面として表される等価(同等)な結晶面としては(111)面、(−111)面、(1−11)面、(11−1)面、(−1−11)面、(1−1−1)面、(−11−1)面、(−1−1−1)面が存在する。
【0108】
すなわち本発明では、前記シードレイヤ22は(111)面や、それと等価な(1−11)面等が膜面と平行な方向に優先配向しているのである。
【0109】
また本発明では前記シードレイヤ22は常温にて非磁性であることが好ましい。前記シードレイヤ22を常温で非磁性とすることにより、波形の非対称性(アシンメトリー)の悪化を防ぐことができるとともに、非磁性にするために添加する元素Y(後述)の効果により、前記シードレイヤ22の比抵抗を大きくすることができ、導電層から流れるセンス電流の前記シードレイヤ22への分流を抑制することが可能である。前記センス電流がシードレイヤ22に分流しやすくなると、抵抗変化率(ΔR/R)の低下やバルクハウゼンノイズの発生に繋がり好ましくない。
【0110】
前記シードレイヤ22を非磁性で形成するには、上記した材質のうちNi−Fe−Y合金(ただしYは、Cr,Rh,Ta,Hf,Nb,Zr,Tiから選ばれる少なくとも1種または2種以上)を選択できる。これら材質は、結晶構造が面心立方晶であり、しかも膜面と平行な方向に、代表的に{111}面として表される等価な結晶面が優先配向しやすく好ましい。前記シードレイヤ22は、例えば30Å程度で形成される。
【0111】
前記シードレイヤ22の上には反強磁性層4が形成される。前記反強磁性層4は、元素X(ただしXは、Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうち1種または2種以上の元素である)とMnとを含有する反強磁性材料で形成されることが好ましい。
【0112】
これら白金族元素を用いたX−Mn合金は、耐食性に優れ、またブロッキング温度も高く、さらに交換結合磁界(Hex)を大きくできるなど反強磁性材料として優れた特性を有する。特に白金族元素のうちPtを用いることが好ましい。例えば二元系で形成されたPtMn合金を使用することができる。
【0113】
また本発明では、前記反強磁性層4を元素Xと元素X′(ただし元素X′は、Ne,Ar,Kr,Xe,Be,B,C,N,Mg,Al,Si,P,Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,Zr,Nb,Mo,Ag,Cd,Sn,Hf,Ta,W,Re,Au,Pb、及び希土類元素のうち1種または2種以上の元素である)とMnとを含有する反強磁性材料で形成してもよい。
【0114】
なお前記元素X′には、元素XとMnとで構成される空間格子の隙間に侵入し、または元素XとMnとで構成される結晶格子の格子点の一部と置換する元素を用いることが好ましい。ここで固溶体とは、一つの結晶相内において、均一に成分が混ざり合った固体のことを指している。
【0115】
侵入型固溶体あるいは置換型固溶体とすることで、前記X−Mn合金膜の格子定数に比べて、前記X−Mn−X′合金の格子定数を大きくすることができるので、後述する固定磁性層3の格子定数との差を広げることができ、前記反強磁性層4と固定磁性層3との界面構造を非整合状態にしやすくできる。また特に置換型で固溶する元素X′を使用する場合は、前記元素X′の組成比が大きくなりすぎると、反強磁性としての特性が低下し、固定磁性層3との界面で発生する交換結合磁界が小さくなってしまう。特に本発明では、侵入型で固溶し、不活性ガスの希ガス元素(Ne,Ar,Kr,Xeのうち1種または2種以上)を元素X′として使用することが好ましいとしている。希ガス元素は不活性ガスなので、希ガス元素が、膜中に含有されても、反強磁性特性に大きく影響を与えることがなく、さらに、Arなどは、スパッタガスとして従来からスパッタ装置内に導入されるガスであり、ガス圧を適正に調節するのみで、容易に、膜中にArを侵入させることができる。
【0116】
なお、元素X′にガス系の元素を使用した場合には、膜中に多量の元素X′を含有することは困難であるが、希ガスの場合においては、膜中に微量侵入させるだけで、熱処理によって発生する交換結合磁界を、飛躍的に大きくできる。
【0117】
なお本発明では、好ましい前記元素X′の組成範囲は、at%で0.2から10であり、より好ましくは、at%で、0.5から5である。また本発明では前記元素XはPtであることが好ましく、よってPt−Mn−X′合金を使用することが好ましい。
【0118】
次に前記反強磁性層4の上には3層膜で形成された固定磁性層3が形成されている。
【0119】
前記固定磁性層3は、Co膜11とRu膜12とCo膜13とで形成され、前記反強磁性層4との界面での交換結合磁界により前記Co膜11とCo膜13の磁化方向は互いに反平行状態にされる。これは、いわゆるフェリ磁性結合状態と呼ばれ、この構成により固定磁性層3の磁化を安定した状態にでき、また前記固定磁性層3と反強磁性層4との界面で発生する交換結合磁界を大きくすることができる。
【0120】
なお前記Co膜11は例えば20Å程度で形成され、Ru膜12は8Å程度で形成され、Co膜13は15Å程度で形成される。
【0121】
なお前記固定磁性層3は3層膜で形成されなくても良く、例えば単層膜で形成されてもよい。また各層11,12,13は、上記した磁性材料以外の材料によって形成してもよい。
【0122】
前記固定磁性層3の上には非磁性中間層2が形成されている。前記非磁性中間層2は、例えばCuで形成されている。なお本発明における磁気抵抗効果素子が、トンネル効果の原理を用いたトンネル型磁気抵抗効果素子(TMR素子)の場合、前記非磁性中間層2は、例えばAl2O3等の絶縁材料で形成される。
【0123】
さらに前記非磁性中間層2の上には2層膜で形成されたフリー磁性層1が形成される。
【0124】
前記フリー磁性層1は、NiFe合金膜9とCo膜10の2層で形成される。図1に示すように前記Co膜10を非磁性中間層2と接する側に形成することにより、前記非磁性中間層2との界面での金属元素等の拡散を防止し、ΔR/R(抵抗変化率)を大きくすることができる。
【0125】
なお前記NiFe合金膜9は、例えば前記Niを80(at%)、Feを20(at%)として形成する。また前記NiFe合金膜9の膜厚を例えば45Å程度、Co膜を5Å程度で形成する。
【0126】
図1に示すように前記フリー磁性層1の上にはTa,Hf,Nb,Zr,Ti,Mo,Wのうち1種または2種以上の元素などの非磁性材料で形成された保護層7が形成されている。
【0127】
さらに前記下地層6から保護層7までの積層膜の両側にはハードバイアス層5及び導電層8が形成されている。前記ハードバイアス層5からのバイアス磁界によってフリー磁性層1の磁化はトラック幅方向(図示X方向)に揃えられる。
【0128】
前記ハードバイアス層5,5は、例えばCo−Pt(コバルト−白金)合金やCo−Cr−Pt(コバルト−クロム−白金)合金などで形成されており、導電層8,8は、α−Ta、Au、Cr、Cu(銅)やW(タングステン)などで形成されている。なお上記したトンネル型磁気抵抗効果素子の場合、前記導電層8,8は、フリー磁性層1の下側と、反強磁性層4の上側にそれぞれ形成されることになる。
【0129】
また本発明では、上記したフリー磁性層1の上に、金属材料あるいは非磁性金属のCu,Au,Agからなるバックド層が形成されていてもよい。例えば前記バックド層の膜厚は12〜20Å程度で形成される。
【0130】
また前記保護層7には、Taなどから成りその表面が酸化された酸化層が形成されていることが好ましい。
【0131】
前記バックド層が形成されることによって、磁気抵抗効果に寄与する+スピン(上向きスピン:up spin)の電子における平均自由工程(mean free path)を延ばし、いわゆるスピンフィルター効果(spin filter effect)によりスピンバルブ型磁気素子において、大きな抵抗変化率が得られ、高記録密度化に対応できるものとなる。
【0132】
上記した各層を積層した後、本発明では熱処理を施して反強磁性層4と固定磁性層3との界面に交換結合磁界(Hex)を発生させ、これにより前記固定磁性層3の磁化をハイト方向(図示Y方向)に固定するが、熱処理後における前記スピンバルブ型薄膜素子では、以下のような結晶配向を有している。
【0133】
前記結晶配向については、主に反強磁性層と強磁性層(固定磁性層)とで形成される交換結合膜を中心して説明する。
【0134】
本発明では上記したように、反強磁性層4の下側にシードレイヤ22が形成されている。前記シードレイヤ22は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面が膜面に優先配向するように形成されているが、これによって前記シードレイヤ22上に形成される反強磁性層4もまた膜面と平行な方向に、前記シードレイヤ22と同じ結晶面が膜面と平行方向に優先配向される。
【0135】
例えばシードレイヤ22は、膜面と平行な方向に(−111)面が優先配向する場合、前記シードレイヤ22上に形成される反強磁性層4も膜面と平行な方向に(−111)面が優先配向する。
【0136】
さらに前記反強磁性層4の上に形成される固定磁性層3もまた前記反強磁性層4と同じ結晶面が膜面と平行な方向に優先配向する。
【0137】
すなわち本発明では、シードレイヤ22、反強磁性層4及び固定磁性層3は、膜面と平行な方向に、代表的に{111}面として表される同じ等価な結晶面が優先配向しているのである。
【0138】
なお本発明では、前記膜面と平行な方向に優先配向する結晶面は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましいが、これは前記結晶面が最密面であるからである。例えば磁気ヘッド装置内の環境温度やセンス電流密度が高くなると、特に熱的な安定性が求められるが、膜面と平行な方向に最密面である{111}面として表される等価な結晶面が優先配向すると膜厚方向の原子の拡散が起こり難く、多層膜界面の熱的安定性が増し、特性の安定化を図ることが可能である。
【0139】
本発明ではこのように反強磁性層4及び固定磁性層3は、膜面と平行な方向に同じ結晶面が優先配向するが、さらに本発明では、前記結晶面内に存在する、ある同じ結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層4及び固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いているのである(図14参照)。なお図14では、例えば(111)面内に存在する[110]方向が、前記反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いていることがわかる。
【0140】
このような結晶配向を生じる原因としては、前記反強磁性層4と固定磁性層3とを成膜段階(熱処理前)において、如何なる状態で成膜したかに依存すると考えられる。
【0141】
例えば反強磁性層4の材質及び組成比を調整し、前記反強磁性層4の格子定数を固定磁性層3の格子定数よりも充分に大きくした状態で各層を成膜すると、前記反強磁性層4及び固定磁性層3は、エピタキシャル的な成長をしづらいものと考えられる。
【0142】
エピタキシャル的に成膜されると、反強磁性層4と固定磁性層3とで全ての結晶方位が平行関係を有して成膜されやすい。そして前記反強磁性層4と固定磁性層3との界面では、前記界面と平行な方向に同じ結晶面が優先配向するのみならず、前記結晶面内に存在する、反強磁性層4と固定磁性層3とのある同一の結晶軸が同じ方向に向き、前記界面で反強磁性層4の原子の配列と固定磁性層3の原子の配列とが1対1に対応しやすくなる(図15参照)。なお図15には具体的な例として、(111)面内に存在する[110]方向が、反強磁性層31と強磁性層30とで同じ方向を向いていることが示されている。
【0143】
このような結晶配向が熱処理前の段階で生じていると、前記反強磁性層4は熱処理を施しても固定磁性層3の結晶構造に拘束されて、適切な規則変態を起せず、交換結合磁界は非常に低下してしまう。
【0144】
本発明では、上記のようなエピタキシャル的な成長をせずに、反強磁性層4と固定磁性層3とが成膜されたものと考えられ、このような成膜状態で熱処理を施すと、前記反強磁性層4は固定磁性層3の結晶構造に拘束されず適切な規則変態を起す。熱処理後の本発明におけるスピンバルブ膜の膜構造を観測すると、前記反強磁性層4と固定磁性層3は、膜面と平行な方向に互いに同じ等価な結晶面が優先配向しながらも、前記膜面と平行な方向に配向しない他の結晶面では、前記反強磁性層4と固定磁性層3とで平行関係を保たず、この結果、前記膜面平行に配向した前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部は、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いているのである。
【0145】
本発明では、上記した結晶配向を生じさせるための一つの方法として反強磁性層4の下側にシードレイヤ22を敷いた。既に説明したように、シードレイヤ22を設けることで前記シードレイヤ22上に形成される反強磁性層4及び固定磁性層3は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、このような結晶配向は、大きな抵抗変化率(ΔR/R)をもたらす。
【0146】
また本発明では、前記反強磁性層4及び固定磁性層3の膜面平行な方向に配向する前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部は互いに異なる方向を向いているが、このような結晶方位の存在は、熱処理段階で前記反強磁性層4は固定磁性層3の結晶構造に拘束されずに、不規則相としての面心立方格子から規則相としてのCuAu−I型の面心正方格子に適切に変態したものと考えられ、従来に比べて大きな交換結合磁界を得ることが可能である。なお本発明では、熱処理後において前記反強磁性層4の少なくとも一部の結晶構造がCuAu−I型の面心正方規則格子となっていればよい。
【0147】
また上記した結晶配向を有するか否かは、反強磁性層4及び固定磁性層3とを膜厚方向(図示Z方向)から切断し、その切断面における結晶構造を見ることによって判断することが可能である。
【0148】
すなわち本発明では、前記切断面に現われる前記反強磁性層4の結晶粒界と、固定磁性層3の結晶粒界とが、前記反強磁性層4と固定磁性層3との界面の少なくとも一部で不連続な状態となっているのである。
【0149】
図26,28(図26は透過電子顕微鏡写真(TEM写真)、図28は図26に示す写真の模式図)に示すように本発明では、PtMn合金膜(反強磁性層4)に形成された結晶粒界▲4▼▲5▼と、前記反強磁性層4上層に形成された結晶粒界▲1▼▲2▼▲3▼とが、前記界面で不連続な状態になっており、このような不連続状態が生じる場合には、前記界面において反強磁性層4の膜面方向の結晶面と、固定磁性層3の膜面方向の結晶面とに存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が異なる方向を向いているものと推測できる。
【0150】
図26,28に示す結晶構造は、比較例として表される図27,29(図27は透過電子顕微鏡写真(TEM写真)、図29は図27に示す写真の模式図)に示す結晶組織とは明らかに異なることがわかる。図27,29では、PtMn合金膜(反強磁性層4)に形成された結晶粒界と、PtMn合金膜の上の層に形成された結晶粒界が界面で連続し、反強磁性層4からその上の層にかけて前記界面を貫く大きな結晶粒が形成されているからである。
【0151】
本発明のように図26,28に示すような結晶粒界を有する交換結合膜であると、成膜段階において前記反強磁性層4と固定磁性層3とはエピタキシャル的な成長をせずに成膜されたものと考えられ、したがって熱処理によって前記反強磁性層4は固定磁性層3の結晶構造に拘束されずに適切な規則変態を起しており、大きな交換結合磁界を得ることができるのである。
【0152】
また本発明では、反強磁性層4と固定磁性層3とを成膜し、熱処理を施した後において、前記反強磁性層4と固定磁性層3との結晶配向を透過電子線回折像によって観測し、この透過電子線回折像が以下に説明するような回折図形として得られたなら、反強磁性層4と固定磁性層3との結晶配向は、前記反強磁性層4と固定磁性層3との界面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部は前記反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いているものと推定することが可能である。
【0153】
本発明では、まず反強磁性層4と固定磁性層3との界面と平行方向から電子線(ビーム)を入射させ、反強磁性層4及び固定磁性層3のそれぞれについて透過電子線回折像を得る。
【0154】
前記反強磁性層4及び固定磁性層3の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面に相当する逆格子点に対応した回折斑点が現れる。前記逆格子点(=回折斑点)はミラー指数により表される結晶面であり、例えば前記逆格子点は(110)面などである。
【0155】
次に前記回折斑点に指数付けを行う。ビーム原点から回折斑点までの距離rは、格子面間隔dに反比例するため、rを測定することでdを知ることができる。PtMnやCoFe,NiFe等の各結晶格子面{hkl}の面間隔は、ある程度既知であるため、各回折斑点に等価な{hkl}なる指数付けをすることができる。また、一般的な透過電子線回折像の文献には、単結晶構造の結晶粒の各種の方向に対して観測あるいは計算された、各回折斑点に{hkl}なる特定の指数付けがなされた透過電子線回折図形が掲載されている。このような文献を用いて、上記の反強磁性層4及び固定磁性層3の透過電子線回折像から得られた回折斑点が、単結晶構造の場合の、どの結晶面の回折斑点と同一あるいは類似しているかを判別し、前記単結晶の場合と同様の指数付け{hkl}を各個別の回折斑点毎に行う。
【0156】
そして上記した反強磁性層4の透過電子線回折像と、固定磁性層3の透過電子線回折像とに現れたビーム原点同士を一致させて、各回折像を重ねあわせる。
【0157】
あるいは反磁性層4と固定磁性層3の両者に同時に電子線が照射される範囲で透過電子線回折像を得る。
【0158】
本発明では、前記回折斑点のうち、反強磁性層4の回折像と固定磁性層3の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いに一致する(図16,18参照;図16は透過電子線回折像、図18は図16に示す回折像の模式図)。これは、前記反強磁性層4と固定磁性層3とが膜面方向に同じ等価な結晶面が優先配向していることを意味する。
【0159】
さらに本発明では、同じ指数付けがなされ、且つ前記ビーム原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第二仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれているのである(図16,18参照)。これは、すなわち膜面と平行な方向に配向しない結晶面については、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに平行関係になっていないことを意味している。あるいは、前記ビーム原点からみたときに、前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点が反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像のみに現れる状態でも、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに平行関係になっていない。
【0160】
本発明では、図17,19(図17は透過電子線回折像、図19は図17に示す回折像の模式図)に示す比較例とは明らかに異なる回折像を得ることができる。図17,19に示す比較例では、同じ指数付けがなされ、且つ前記ビーム原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第二仮想線が、反強磁性層4と固定磁性層3との回折像で互いに一致しているからである。
【0161】
本発明では図16に示すような透過電子線回折像が得られた場合には、反強磁性層4と固定磁性層3は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いているものと推測できる。
【0162】
よって上記した透過電子線回折像が得られるスピンバルブ膜であれば、熱処理を施した段階で反強磁性層4は適切な規則変態を起しており、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0163】
なお本発明では、前記膜厚方向に位置する回折斑点は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面を示していることが好ましい。
【0164】
また本発明では、前記反強磁性層4と固定磁性層3との結晶配向を上記とは別の方向から透過電子線回折像によって観測し、この透過電子線回折像が以下に説明するような回折図形として得られたなら、反強磁性層4と固定磁性層3は、膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いているものと推測できる。
【0165】
すなわち本発明では、反強磁性層4と固定磁性層3との界面と垂直方向から電子線(ビーム)を入射させ、反強磁性層4及び固定磁性層3のそれぞれについて同時に透過電子線回折像を得る(図20及び図21参照;図20は反強磁性層4の回折像の模式図、図21は固定磁性層3の回折像の模式図)。
【0166】
前記反強磁性層4及び固定磁性層3の透過電子線回折像には、同じ逆格子面の回折斑点が現れる。前記逆格子面すなわち電子線回折像の投影面は、入射電子線と垂直な結晶面と平行であり、例えば前記逆格子面と平行な結晶面は(111)面などである。なお本発明では、前記界面と垂直な方向は、代表的に<111>方向として表される等価な結晶軸の方向であり、あるいは反強磁性層及び強磁性層の前記界面と平行な結晶面は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましい。
【0167】
次に、単結晶構造の場合の透過電子線回折像の文献などを参照して、前記回折斑点に指数付けを行う。反強磁性層4と固定磁性層3には格子定数の違い、すなわち格子面間隔の違いがあるため反強磁性層4の透過電子線回折斑点と、固定磁性層3の透過電子線回折斑点とは、それらの斑点のビーム原点との距離の違いにより容易に判別できる(図22参照)。
【0168】
本発明では、前記回折斑点のうち、反強磁性層4の回折像と、固定磁性層3の回折像とで同じ指数付けがなさた、ある回折斑点からビーム原点までを結んだ仮想線(仮想線▲1▼と仮想線▲2▼、及び仮想線▲3▼と仮想線▲4▼)は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれた状態となっている(図22参照)。これは、膜面と平行な方向に配向した結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の方位が、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いていることを意味する。あるいは前記回折斑点のうち、ある指数付けがされた回折斑点が、反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる状態でも反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いていることを意味する。
【0169】
上記の本発明における透過電子線回折像は、図23ないし図25(図23は反強磁性層の回折像の模式図、図24は固定磁性層の回折像の模式図、図25は図23と図24とを重ねあわせた模式図)に示す比較例の透過電子線回折像とは明らかに異なることがわかる。
【0170】
図25に示すように、ある回折斑点からビーム原点まで結んだ仮想線▲5▼▲6▼は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いに一致しているからである。
【0171】
本発明では、図20ないし図22に示す透過電子線回折像が得られた場合には、反強磁性層4と固定磁性層3は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向するが、前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いていると推測される。
【0172】
よって上記した透過電子線回折像が得られるスピンバルブ膜であれば、熱処理を施した段階で反強磁性層4は適切な規則変態を起しており、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0173】
以上のように本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子の結晶配向、及び結晶粒界の特徴点を説明したが、このような結晶配向、及び結晶粒界を得るには、前記反強磁性層4と固定磁性層3とを成膜したとき、前記反強磁性層4と固定磁性層3とが界面においていわゆる非整合状態になっていなければならない。
【0174】
非整合状態とは、反強磁性層4の原子の配列と固定磁性層3の原子の配列が前記界面で1対1に対応しない状態のことを言うが、このような非整合状態を作るには前記反強磁性層4の格子定数を前記固定磁性層3の格子定数に比して広げておくことが必要である。
【0175】
それに加えて前記反強磁性層4は熱処理によって適切な規則変態を起さなければならない。前記固定磁性層3との界面が非整合状態であっても前記反強磁性層4が規則変態を引き起こさない場合には、結局、交換結合磁界は低くなってしまう。
【0176】
上記した成膜段階における非整合状態、及び規則変態を起すか否かの適正化は、反強磁性層4を構成する各構成元素の組成比によるところが大きいと考えられる。
【0177】
本発明では、反強磁性層4の元素Xあるいは元素X+X′の原子%を45(at%)以上60(at%)以下に設定することが好ましい。これによって成膜段階において、固定磁性層3との界面が非整合状態にされ、しかも前記反強磁性層4は熱処理によって適切な規則変態を起すものと推測される。
【0178】
そして上記の組成範囲内で形成された反強磁性層4を使用することにより、熱処理後のスピンバルブ型薄膜素子では、前記反強磁性層4と固定磁性層3との結晶配向を、膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面を優先配向させ、しかも前記反強磁性層4及び固定磁性層3の前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部を互いに異なる方向に向かせることが可能である。また前記反強磁性層4の結晶粒界と、固定磁性層3の結晶粒界とを界面の少なくとも一部で不連続な状態にすることができる。上記の組成範囲内であると後述する実験結果によれば1.58×104(A/m)以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【0179】
また本発明では、前記元素Xあるいは元素X+X′の原子%を、49(at%)以上56.5(at%)以下に設定することが好ましい。これにより7.9×104(A/m)以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【0180】
また本発明では、上記した結晶配向を有するスピンバルブ型薄膜素子では、熱処理後において、前記反強磁性層4と固定磁性層3との界面の少なくとも一部を非整合状態にすることが可能である。
【0181】
また上記した反強磁性層4と固定磁性層3との結晶配向、及び透過電子線回折像は、シードレイヤ22と反強磁性層4間にも観測される。すなわち前記シードレイヤ22と反強磁性層4との間においても膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記シードレイヤ22と反強磁性層4とで互いに異なる方向を向いている。
【0182】
また膜厚方向と平行な方向の断面において、前記シードレイヤ22の結晶粒界と反強磁性層4の結晶粒界との少なくとも一部は不連続な状態となっている。
【0183】
このような結晶配向及び結晶粒界がシードレイヤ22と反強磁性層4との間に存在すると、前記シードレイヤ22と反強磁性層4との界面では少なくとも一部が非整合状態を保ちやすく、したがって前記反強磁性層4は前記シードレイヤ22の結晶構造に拘束されずに適切な規則変態を起しており、さらに大きな交換結合磁界が得られるのである。
【0184】
また本発明では前記反強磁性層4の膜厚を7nm〜30nmの範囲内で形成することが好ましい。このように本発明では前記反強磁性層4の膜厚を薄くしてもなお適切な交換結合磁界を発生させることができる。
【0185】
図2は、別のスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す部分断面図である。
このスピンバルブ型薄膜素子では、下から下地層6、NiFe合金膜9とCo膜10とから成るフリー磁性層1、非磁性中間層2、及びCo膜11、Ru膜12、及びCo膜13から成る固定磁性層3、反強磁性層4及び保護層7が積層されている。そして前記積層膜の両側にはハードバイアス層5,5及び導電層8,8が形成されている。
【0186】
なお各層の材質等に関しては図1に説明したスピンバルブ型薄膜素子と同じである。
【0187】
図2に示すスピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層4と固定磁性層3は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いている。
【0188】
また前記反強磁性層4と固定磁性層3とを膜厚と平行な方向(図示Z方向)から断面としてみたときに、前記反強磁性層4の結晶粒界と前記固定磁性層3の結晶粒界は、界面の少なくとも一部において不連続な状態になっている。
【0189】
このため前記界面の少なくとも一部は非整合状態を保ち、前記反強磁性層4は熱処理によって適切な規則変態がなされており、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0190】
なお反強磁性層4と固定磁性層3膜面と平行な方向に代表的に{111}面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好ましい。また前記結晶面内において、代表的に<110>方向として表される等価な結晶軸の方向が、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いていることが好ましい。
【0191】
また図2に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記界面と平行方向から電子線(ビーム)を入射させて得られた反強磁性層4及び固定磁性層3の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、反強磁性層4の回折像と固定磁性層3の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いに一致している。
【0192】
しかも本発明では、同じ指数付けがなされ、且つ前記ビーム原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記原点とを結んだ第二仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれているのである。あるいは前記ビーム原点からみたときに、前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点が反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像のみに現れる。
【0193】
上記の場合、前記膜厚方向に位置する回折斑点は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましい。
【0194】
あるいは図2に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記界面と垂直方向から電子線(ビーム)を入射させて得られた反強磁性層4及び固定磁性層3の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、反強磁性層4の回折像と固定磁性層3の回折像とで同じ指数付けがなされた、ある回折斑点からビーム原点までを結んだ仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれている。あるいは前記回折斑点のうち、ある指数付けがされた回折斑点が、反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる。
【0195】
上記の場合、前記界面と垂直な方向は、代表的に<111>方向として表される等価な結晶軸の方向であり、あるいは反強磁性層及び強磁性層の前記界面と平行な結晶面は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましい。
【0196】
上記のような透過電子線回折像が得られると、反強磁性層4と固定磁性層3は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いているものと推測できる。
【0197】
そして上記した透過電子線回折像を有するスピンバルブ型薄膜素子であると、前記反強磁性層4は熱処理によって適切な規則変態を起しており、従来に比べて大きな交換結合磁界が得られる。
【0198】
また図2に示すスピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層4を構成する元素Xあるいは元素X+X′の組成比は45(at%)以上60(at%)以下であることが好ましい。これにより1.58×104(A/m)以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【0199】
また本発明では、前記元素Xあるいは元素X+X′の組成比は、49(at%)以上57(at%)以下であることが好ましい。これにより7.9×104(A/m)以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【0200】
次に図3は本発明における別のスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す部分断面図である。
【0201】
図3では下から下地層6、シードレイヤ22、反強磁性層4、固定磁性層3、非磁性中間層2、フリー磁性層1が積層されている。
【0202】
前記下地層6は、Ta,Hf,Nb,Zr,Ti,Mo,Wのうち少なくとも1種以上の元素で形成されていることが好ましい。
【0203】
また前記シードレイヤ22は、結晶構造が主として面心立方晶からなり、しかも反強磁性層4との界面と平行な方向に、代表的に{111}面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好ましい。なお前記シードレイヤ22の材質等に関しては図1で説明したものと同様である。
【0204】
前記シードレイヤ22を反強磁性層4の下に形成することで、前記シードレイヤ22上に形成される反強磁性層4、固定磁性層3、非磁性中間層2及びフリー磁性層1も前記シードレイヤ22と同じ等価な結晶面が膜面と平行な方向に優先配向する。
【0205】
また図3では固定磁性層3が、Co膜11,13、Ru膜12の3層膜で形成されているが、他の材質が使用されても良く、また3層膜ではなく例えば単層膜で形成されてもかまわない。
【0206】
またフリー磁性層1は、NiFe合金膜9とCo膜10との2層膜で形成されているが、他の材質が使用されても良く、また2層膜ではなく例えば単層膜で形成されてもかまわない。
【0207】
図3に示すスピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層4と固定磁性層3は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いている。
【0208】
また前記反強磁性層4と固定磁性層3とを膜厚と平行な方向(図示Z方向)から断面としてみたときに、前記反強磁性層4の結晶粒界と前記固定磁性層3の結晶粒界が前記界面の少なくとも一部で不連続な状態になっている。
【0209】
このため前記界面の少なくとも一部は非整合状態を保ち、前記反強磁性層4は熱処理によって適切な規則変態がなされており、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0210】
なお反強磁性層4と固定磁性層3膜面と平行な方向に代表的に{111}面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好ましい。また前記結晶面内において、代表的に<110>方向として表される等価な結晶軸の方向が、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いていることが好ましい。
【0211】
また図3に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記界面と平行方向から電子線(ビーム)を入射させて得られた反強磁性層4及び固定磁性層3の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、反強磁性層4の回折像と固定磁性層3の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いに一致している。
【0212】
しかも本発明では、同じ指数付けがなされ、且つ前記ビーム原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第二仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれている。また前記ビーム原点からみたときに、前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点が、反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる。
【0213】
上記の場合、前記膜厚方向に位置する回折斑点は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましい。
【0214】
あるいは図3に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記界面と垂直方向から電子線(ビーム)を入射させて得られた反強磁性層4及び固定磁性層3の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、反強磁性層4の回折像と固定磁性層3の回折像とで同じ指数付けがなされた、ある回折斑点からビーム原点までを結んだ仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれている。あるいは前記回折斑点のうち、ある指数付けがされた回折斑点が、反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる。
【0215】
上記の場合、前記界面と垂直な方向は、代表的に<111>方向として表される等価な結晶軸の方向であり、あるいは、反強磁性層及び強磁性層の前記界面と平行な結晶面は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましい。
【0216】
上記のような透過電子線回折像が得られると、反強磁性層4と固定磁性層3は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いているものと推測できる。上記した透過電子線回折像を有するスピンバルブ型薄膜素子であると、前記反強磁性層4は熱処理によって適切な規則変態を起しており、従来に比べて大きな交換結合磁界が得られる。
【0217】
また図3に示すスピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層4を構成する元素Xあるいは元素X+X′の組成比は45(at%)以上60(at%)以下であることが好ましい。これにより1.58×104(A/m)以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【0218】
また本発明では、前記元素Xあるいは元素X+X′の組成比は、49(at%)以上56.5(at%)以下であることが好ましい。これにより7.9×104(A/m)以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【0219】
また図3に示すように前記フリー磁性層1上には、トラック幅方向(図示X方向)にトラック幅Twの間隔を開けてエクスチェンジバイアス層(反強磁性層)16,16が形成されている。
【0220】
なおこのエクスチェンジバイアス層16は、X−Mn合金(ただしXは、Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうちいずれか1種または2種以上の元素である)、好ましくはPtMn合金、またはX―Mn―X′合金(ただしX′は、Ne,Ar,Kr,Xe,Be,B,C,N,Mg,Al,Si,P,Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,Zr,Nb,Mo,Ag,Cd,Sn,Hf,Ta,W,Re,Au,Pb、及び希土類元素のうち1種または2種以上の元素である)で形成されている。
【0221】
本発明では、前記エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部の方向は前記エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1とで、互いに異なる方向を向いている。
【0222】
また前記エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1とを膜厚と平行な方向(図示Z方向)から断面としてみたときに、前記エクスチェンジバイアス層16の結晶粒界と前記フリー磁性層1の結晶粒界は界面の少なくとも一部において不連続な状態になっている。
【0223】
このため前記界面の少なくとも一部は非整合状態を保ち、前記エクスチェンジバイアス層16は熱処理によって適切な規則変態がなされており、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0224】
なおエクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1は膜面と平行な方向に代表的に{111}面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好ましい。また前記結晶面内において、代表的に<110>方向として表される等価な結晶軸の方向が、エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1とで互いに異なる方向を向いていることが好ましい。
【0225】
また図3に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記界面と平行方向から電子線(ビーム)を入射させて得られたエクスチェンジバイアス層16及びフリー磁性層1の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、エクスチェンジバイアス層16の回折像とフリー磁性層1の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いに一致している。
【0226】
しかも本発明では、同じ指数付けがなされ、且つ前記ビーム原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第二仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれているのである。あるいは前記ビーム原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点が反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れるのである。
【0227】
上記の場合、前記膜厚方向に位置する回折斑点は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましい。
【0228】
あるいは図3に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記界面と垂直方向から電子線(ビーム)を入射させて得られたエクスチェンジバイアス層16及びフリー磁性層1の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、エクスチェンジバイアス層16の回折像とフリー磁性層1の回折像とで同じ指数付けがなされた、ある回折斑点からビーム原点までを結んだ仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれている。あるいは前記回折斑点のうち、ある指数付けがされた回折斑点が、反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる。
【0229】
上記の場合、前記界面と垂直な方向は、代表的に<111>方向として表される等価な結晶軸の方向であり、あるいは、反強磁性層及び強磁性層の前記界面と平行な結晶面は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましい。
【0230】
上記のような透過電子線回折像を有するスピンバルブ型薄膜素子であると、エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1とで互いに異なる方向を向いているものと推測される。そして前記透過電子線回折像を有するスピンバルブ型薄膜素子では、前記エクスチェンジバイアス層16は熱処理によって適切な規則変態を起しており、従来に比べて大きな交換結合磁界が得られる。
【0231】
前記フリー磁性層1の両側端部では、エクスチェンジバイアス層16間での交換結合磁界によりフリー磁性層1が図示X方向に単磁区化され、フリー磁性層1のトラック幅Tw領域の磁化は、外部磁界に対して反応する程度に図示X方向に適性に揃えられている。
【0232】
このようにして形成されたシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子では、図示Y方向の外部磁界により、フリー磁性層1のトラック幅Tw領域の磁化が図示X方向から図示Y方向に変化する。このフリー磁性層1内での磁化の方向の変動と、固定磁性層3の固定磁化方向(図示Y方向)との関係で電気抵抗が変化し、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化により、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【0233】
図4は、本発明における他のスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す部分断面図である。
【0234】
図4に示すスピンバルブ型薄膜素子では、トラック幅方向(図示X方向)にトラック幅Twの間隔を開けた一対のシードレイヤ22が形成され、前記シードレイヤ22の上にエクスチェンジバイアス層16,16が形成されている。
【0235】
前記一対のシードレイヤ22及びエクスチェンジバイアス層16間は、SiO2やAl2O3等の絶縁材料で形成された絶縁層17によって埋められている。
【0236】
そして前記エクスチェンジバイアス層16及び絶縁層17上にはフリー磁性層1が形成されている。
【0237】
前記エクスチェンジバイアス層16はX−Mn合金、あるいはX−Mn−X′合金で形成され、前記元素Xあるいは元素X+X′の組成比は45(at%)以上60(at%)以下であることが好ましく、より好ましくは49(at%)以上56.5(at%)以下である。
【0238】
熱処理を施すことにより前記エクスチェンジバイアス層16はフリー磁性層1の結晶構造に拘束されず、適切な規則変態を起し、従来に比べて大きな交換結合磁界を得ることができる。
【0239】
本発明では熱処理後において、前記エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1とで互いに異なる方向を向いている。
【0240】
また前記エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1とを膜厚と平行な方向(図示Z方向)から断面としてみたときに、前記エクスチェンジバイアス層16の結晶粒界と前記フリー磁性層1の結晶粒界は界面の少なくとも一部において不連続な状態になっている。
【0241】
このため前記界面の少なくとも一部は非整合状態を保ち、前記エクスチェンジバイアス層16は熱処理によって適切な規則変態がなされており、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0242】
なおエクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1は膜面と平行な方向に代表的に[111]面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好ましい。また前記結晶面内において、代表的に<110>方向として表される等価な結晶軸の方向が、エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1とで互いに異なる方向を向いていることが好ましい。
【0243】
また図4に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記界面と平行方向から電子線(ビーム)を入射させて得られたエクスチェンジバイアス層16及びフリー磁性層1の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、エクスチェンジバイアス層16の回折像とフリー磁性層1の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いに一致している。
【0244】
しかも本発明では、同じ指数付けがなされ、且つ前記原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第二仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれている。あるいは前記ビーム原点からみたときに、前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点が反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる。
【0245】
上記の場合、前記膜厚方向に位置する回折斑点は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面を示していることが好ましい。
【0246】
あるいは図4に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記界面と垂直方向から電子線(ビーム)を入射させて得られたエクスチェンジバイアス層16及びフリー磁性層1の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、エクスチェンジバイアス層16の回折像とフリー磁性層1の回折像とで同じ指数付けがなされた、ある回折斑点からビーム原点までを結んだ仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれている。あるいは、前記回折斑点のうち、ある指数付けがされた回折斑点が、反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる。
【0247】
上記の場合、前記界面と垂直な方向は、代表的に<111>方向として表される等価な結晶軸の方向であり、あるいは、反強磁性層及び強磁性層の前記界面と平行な結晶面は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましい。
【0248】
上記のような透過電子線回折像が得られると、エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1とで互いに異なる方向を向いているものと推測できる。そして上記したスピンバルブ型薄膜素子であると、前記エクスチェンジバイアス層16は熱処理によって適切な規則変態を起しており、従来に比べて大きな交換結合磁界が得られる。
【0249】
前記フリー磁性層1の両側端部では、エクスチェンジバイアス層16間での交換結合磁界により図示X方向に単磁区化され、フリー磁性層1のトラック幅Tw領域の磁化は、外部磁界に対して反応する程度に図示X方向に適性に揃えられている。
【0250】
図4に示すように前記フリー磁性層1の上には非磁性中間層2が形成され、さらに前記非磁性中間層2の上には固定磁性層3が形成されている。さらに前記固定磁性層3の上には反強磁性層4が形成されている。
【0251】
本発明では熱処理後において、前記反強磁性層4と固定磁性層3は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いている。
【0252】
また前記反強磁性層4と固定磁性層3とを膜厚と平行な方向(図示Z方向)から断面としてみたときに、前記反強磁性層4の結晶粒界と前記固定磁性層3の結晶粒界は界面の少なくとも一部において不連続な状態になっている。
【0253】
このため前記界面の少なくとも一部は非整合状態を保ち、前記反強磁性層4は熱処理によって適切な規則変態がなされており、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0254】
なお反強磁性層4と固定磁性層3膜面と平行な方向に代表的に{111}面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好ましい。また前記結晶面内において、代表的に<110>方向として表される等価な結晶軸の方向が、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いていることが好ましい。
【0255】
また図4に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記界面と平行方向から電子線(ビーム)を入射させて得られた反強磁性層層4及び固定磁性層3の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、反強磁性層4の回折像と固定磁性層3の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いに一致している。
【0256】
しかも本発明では、同じ指数付けがなされ、且つ前記ビーム原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第二仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれている。あるいは前記ビーム原点からみたときに、前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点が反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる。
【0257】
上記の場合、前記膜厚方向に位置する回折斑点は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面を示していることが好ましい。
【0258】
あるいは図4に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記界面と垂直方向から電子線(ビーム)を入射させて得られた反強磁性層4及び固定磁性層3の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、反強磁性層4の回折像と固定磁性層3の回折像とで同じ指数付けがなされた、ある回折斑点からビーム原点までを結んだ仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれている。あるいは、前記回折斑点のうち、ある指数付けがされた回折斑点が、反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる。
【0259】
上記の場合、前記界面と垂直な方向は、代表的に<111>方向として表される等価な結晶軸の方向であり、あるいは反強磁性層及び強磁性層の前記界面と平行な結晶面は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましい。
【0260】
上記のような透過電子線回折像が得られると、反強磁性層4と固定磁性層3は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部は、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いているものと推測できる。そして上記した透過電子線回折像を有するスピンバルブ型薄膜素子であると、前記反強磁性層4は熱処理によって適切な規則変態を起しており、従来に比べて大きな交換結合磁界が得られる。
【0261】
図5は本発明におけるデュアルスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す部分断面図である。
【0262】
図5に示すように、下から下地層6、シードレイヤ22、反強磁性層4、固定磁性層3、非磁性中間層2、およびフリー磁性層1が連続して積層されている。前記フリー磁性層1は3層膜で形成され、例えばCo膜10,10とNiFe合金膜9で構成される。さらに前記フリー磁性層1の上には、非磁性中間層2、固定磁性層3、反強磁性層4、および保護層7が連続して積層されている。
【0263】
また、下地層6から保護層7までの多層膜の両側にはハードバイアス層5,5、導電層8,8が積層されている。なお、各層は図1で説明した材質と同じ材質で形成されている。
【0264】
この実施例では、フリー磁性層1よりも図示下側に位置する反強磁性層4の下にはシードレイヤ22が形成されている。さらに前記反強磁性層4を構成する元素Xあるいは元素X+X′の組成比は、45(at%)以上60(at%)以上で形成されることが好ましく、より好ましくは49(at%)以上56.5(at%)以下である。
【0265】
そして本発明では熱処理後において、前記反強磁性層4と固定磁性層3の結晶配向は、前記反強磁性層4と固定磁性層3との界面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、前記反強磁性層4と固定磁性層3の前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、互いに異なる方向を向いている。
【0266】
また前記反強磁性層4と固定磁性層3とを膜厚と平行な方向(図示Z方向)から断面としてみたときに、前記反強磁性層4の結晶粒界と前記固定磁性層3の結晶粒界は界面の少なくとも一部において不連続な状態になっている。
【0267】
このため前記界面の少なくとも一部は非整合状態を保ち、前記反強磁性層4は熱処理によって適切な規則変態がなされており、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0268】
なお反強磁性層4と固定磁性層3膜面と平行な方向に代表的に{111}面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好ましい。また前記結晶面内において、代表的に<110>方向として表される等価な結晶軸の方向が、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いていることが好ましい。
【0269】
また図5に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層1よりも下側に形成された固定磁性層3及び反強磁性層4のみならず、積層膜全体の結晶配向が、上記と同様の結晶配向を有するものとなっている。
【0270】
すなわち本発明では、フリー磁性層1よりも上側に形成された反強磁性層4及び固定磁性層3もまた膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いているのである。
【0271】
また前記反強磁性層4と固定磁性層3とを膜厚と平行な方向(図示Z方向)から断面としてみたときに、前記反強磁性層4の結晶粒界と前記固定磁性層3の結晶粒界は界面の少なくとも一部において不連続な状態になっている。
【0272】
このため前記界面の少なくとも一部は非整合状態を保ち、前記反強磁性層4は熱処理によって適切な規則変態がなされており、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0273】
なお反強磁性層4と固定磁性層3膜面と平行な方向に代表的に{111}面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好ましい。また前記結晶面内において、代表的に<110>方向として表される等価な結晶軸の方向が、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いていることが好ましい。
【0274】
また図5に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記界面と平行方向から電子線(ビーム)を入射させて得られた、反強磁性層4及び固定磁性層3の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、反強磁性層4の回折像と固定磁性層3の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いに一致する。
【0275】
しかも本発明では、同じ指数付けがなされ、且つ前記ビーム原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第二仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれている。あるいは前記ビーム原点からみたときに、前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点が反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる。
【0276】
上記の場合、前記膜厚方向に位置する回折斑点は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面を示していることが好ましい。
【0277】
あるいは図5に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記界面と垂直方向から電子線(ビーム)を入射させて得られた、反強磁性層4及び固定磁性層3の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、反強磁性層4の回折像と固定磁性層3の回折像とで同じ指数付けがなされた、ある回折斑点からビーム原点までを結んだ仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれている。あるいは、前記回折斑点のうち、ある指数付けがされた回折斑点が、反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる。
【0278】
上記の場合、前記界面と垂直な方向は、代表的に<111>方向として表される等価な結晶軸の方向であり、あるいは、反強磁性層及び強磁性層の前記界面と平行な結晶面は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましい。
【0279】
上記のような透過電子線回折像が得られると、反強磁性層4と固定磁性層3は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いているものと推測される。よって上記した透過電子線回折像を有するスピンバルブ型薄膜素子であると、前記反強磁性層4は熱処理によって適切な規則変態を起しており、従来に比べて大きな交換結合磁界が得られる。
【0280】
図6、7は、本発明のAMR型磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。図6に示すように、下から軟磁性層(SAL層)18、非磁性層(SHUNT層)19、および磁気抵抗層(MR層)20が連続して積層されている。
【0281】
例えば前記軟磁性層18は、Fe−Ni−Nb合金、非磁性層19は、Ta膜、磁気抵抗層20は、NiFe合金により形成されている。
【0282】
前記磁気抵抗層20の上には、トラック幅Twを開けたトラック幅方向(X方向)の両側の部分にエクスチェンジバイアス層(反強磁性層)21,21が形成されている。導電層は図示しないが、例えば前記エクスチェンジバイアス層21,21の上に形成される。
【0283】
また図7では、トラック幅方向(図示X方向)にトラック幅Twの間隔を開けて一対のシードレイヤ22が形成されている。前記シードレイヤ22上にはエクスチェンジバイアス層21,21が形成され、前記一対のシードレイヤ22及びエクスチェンジバイアス層21,21間がSiO2やAl2O3等の絶縁材料で形成された絶縁層26によって埋められている。
【0284】
そして前記エクスチェンジバイアス層21,21及び前記絶縁層26上に、磁気抵抗層(MR層)20、非磁性層(SHUNT層)19、及び軟磁性層(SAL層)18が積層される。
【0285】
本発明では、図6及び7に示すエクスチェンジバイアス層21と磁気抵抗層20は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記エクスチェンジバイアス層21と磁気抵抗層20とで互いに異なる方向を向いているのである。
【0286】
また前記エクスチェンジバイアス層21と磁気抵抗層20とを膜厚と平行な方向(図示Z方向)から断面としてみたときに、前記エクスチェンジバイアス層21の結晶粒界と前記磁気抵抗層20の結晶粒界は界面の少なくとも一部において不連続な状態になっている。
【0287】
このため前記界面の少なくとも一部は非整合状態を保ち、前記エクスチェンジバイアス層21は熱処理によって適切な規則変態がなされており、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0288】
なおエクスチェンジバイアス層21と磁気抵抗層20は膜面と平行な方向に代表的に{111}面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好ましい。また前記結晶面内において、代表的に<110>方向として表される等価な結晶軸の方向が、エクスチェンジバイアス層21と磁気抵抗層20とで互いに異なる方向を向いていることが好ましい。
【0289】
また図6,7に示すAMR型薄膜素子では、前記界面と平行方向から電子線(ビーム)を入射させて得られたエクスチェンジバイアス層21及び磁気抵抗層20の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、エクスチェンジバイアス層21の回折像と磁気抵抗層20の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いに一致している。
【0290】
しかも本発明では、同じ指数付けがなされ、且つ前記原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記原点とを結んだ第二仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれている。あるいは前記ビーム原点からみたときに、前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点が反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる。
【0291】
上記の場合、前記膜厚方向に位置する回折斑点は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面を示していることが好ましい。
【0292】
あるいは図6,7に示すAMR型薄膜素子では、前記界面と垂直方向から電子線(ビーム)を入射させて得られたエクスチェンジバイアス層21及び磁気抵抗層20の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、前記回折斑点のうち、エクスチェンジバイアス層21の回折像と磁気抵抗層20の回折像とで同じ指数付けがなされた、ある回折斑点からビーム原点までを結んだ仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いにずれている。あるいは、前記回折斑点のうち、ある指数付けがされた回折斑点が、反強磁性層あるいは強磁性層の一方の回折像にのみ現れる。
【0293】
上記の場合、前記界面と垂直な方向は、代表的に<111>方向として表される等価な結晶軸の方向であり、あるいは、反強磁性層及び強磁性層の前記界面と平行な結晶面は、代表的に{111}面として表される等価な結晶面であることが好ましい。
【0294】
上記のような透過電子線回折像が得られると、エクスチェンジバイアス層21と磁気抵抗層20は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記エクスチェンジバイアス層21と磁気抵抗層20とで互いに異なる方向を向いていると考えられる。そして上記した透過電子線回折像を有するスピンバルブ型薄膜素子であると、前記エクスチェンジバイアス層21は熱処理によって適切な規則変態を起しており、従来に比べて大きな交換結合磁界が得られる。
【0295】
上記した図6及び図7に示すAMR型薄膜素子では、前記エクスチェンジバイアス層21,21と磁気抵抗層20との界面で発生する交換結合磁界により、図6、7に示す磁気抵抗層20のE領域が、図示X方向に単磁区化される。そしてこれに誘発されて前記磁気抵抗層20のD領域の磁化が図示X方向に揃えられる。また、検出電流が磁気抵抗層20を流れる際に発生する電流磁界が、軟磁性層18にY方向に印加され、軟磁性層18がもたらす静磁結合エネルギーにより、磁気抵抗層20のD領域に横バイアス磁界がY方向に与えられる。X方向に単磁区化された磁気抵抗層20のD領域にこの横バイアス層が与えられることにより、磁気抵抗層20のD領域の磁界変化に対する抵抗変化(磁気抵抗効果特性:H―R効果特性)が直線性を有する状態に設定される。
【0296】
記録媒体の移動方向はZ方向であり、図示Y方向に漏れ磁界が与えられると、磁気抵抗層20のD領域の抵抗値が変化し、これが電圧変化として検出される。
【0297】
なお上記した図1ないし図7に示す磁気抵抗効果素子の製造方法についてであるが、本発明では特に反強磁性層4を以下のようにして形成することが好ましい。
【0298】
上記したように、前記反強磁性層4の元素Xあるいは元素X+X′の組成比は、45(at%)以上60(at%)以下であることが好ましく、より好ましくは49(at%)以上56.5(at%)以下であり、この範囲内であると後述する実験結果に示すように、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0299】
よって一つの製法としては、成膜段階において前記反強磁性層4を上記の組成範囲内で形成し、さらに他の各層も成膜した後、熱処理を施せば良い。
【0300】
また本発明では、熱処理後において、反強磁性層4と固定磁性層3との界面、エクスチェンジバイアス層16とフリー磁性層1との界面、エクスチェンジバイアス層21と磁気抵抗層20との界面、及びシードレイヤ22が形成される場合には、前記シードレイヤ22と反強磁性層4との界面、及び前記シードレイヤ22とエクスチェンジバイアス層16,21との界面の少なくとも一部は非整合状態であることが好ましいが、前記非整合状態は成膜段階から保たれていることが好ましい。成膜段階において前記界面が整合状態であると、熱処理を施しても前記反強磁性層4等は適切な規則変態を起し難いと考えられるからである。
【0301】
成膜段階において前記界面を非整合状態としておくためには、前記反強磁性層4等を例えば以下のような方法で形成することが好ましい。
【0302】
図8は、図1に示す積層膜の各層を成膜した状態を示す模式図である。図8に示すように、下地層6上にシードレイヤ22を形成した後、前記反強磁性層4を3層膜で形成する。前記反強磁性層4を構成する第1の反強磁性層23、第2の反強磁性層24、及び第3の反強磁性層25は上記したX−Mn合金、X−Mn−X′合金で形成される。
【0303】
ただし成膜段階において、第1及び第3の反強磁性層23,25を構成する元素Xあるいは元素X+X′の組成比を、第2の反強磁性層24の元素Xあるいは元素X+X′の組成比よりも多くする。
【0304】
また前記第1の反強磁性層23と第3の反強磁性層25との間に形成される第2の反強磁性層24は、熱処理によって不規則格子から規則格子に変態しやすい理想的な組成に近い反強磁性材料で形成される。
【0305】
このように第1の反強磁性層23及び第3の反強磁性層25の元素Xあるいは元素X+X′の組成比を、第2の反強磁性層24の元素Xあるいは元素X+X′の組成比よりも大きくするのは、熱処理を施したときに、反強磁性層4が不規則格子から規則格子への変態をしやすくするため、各界面において、前記固定磁性層3及びシードレイヤ22の結晶構造等に拘束されないようにする必要があるからである。
【0306】
前記第1の反強磁性層23及び第3の反強磁性層25の元素Xあるいは元素X+X′の組成比は53(at%)以上65(at%)以下であることが好ましく、より好ましくは55(at%)以上60(at%)以下である。また前記第1の反強磁性層23及び第3の反強磁性層25の膜厚は3Å以上30Å以下であることが好ましい。例えば図8の場合では、前記第1及び第3の反強磁性層23,25をそれぞれ10Å程度で形成している。
【0307】
前記第2の反強磁性層24の元素Xあるいは元素X+X′の組成比は、44(at%)以上57(at%)以下で形成される。好ましくは、46(at%)以上55(at%)以下である。元素Xあるいは元素X+X′の組成比がこの範囲内で形成されると、熱処理を施すことによって前記第2の反強磁性層24は不規則格子から規則格子へ変態しやすくなる。なお前記第2の反強磁性層24の膜厚は70Å以上であることが好ましい。なお図8に示す実施例の場合には、前記第2の反強磁性層24の膜厚を100Å程度で形成している。
【0308】
また上記した各反強磁性層23,24,25をスパッタ法で形成することが好ましい。なおこのとき、第1及び第3の反強磁性層23,25を、第2の反強磁性層24よりも低いスパッタガス圧で形成することが好ましい。これにより、前記第1及び第3の反強磁性層23,25の元素Xあるいは元素X+X′の組成比を、第2の反強磁性層24の元素Xあるいは元素X+X′の組成比よりも大きくすることが可能である。
【0309】
あるいは本発明では、成膜段階(熱処理前)において前記反強磁性層4を上記した3層膜で形成せず、以下の方法によって前記反強磁性層4を単一層で形成した場合でも、膜厚方向に元素Xあるいは元素X+X′の組成比(原子%)を適切に変化させて形成することが可能である。
【0310】
まず元素XとMnとを含有する反強磁性材料、あるいは元素XとX′とMnとで形成されたターゲットを用いてスパッタによって反強磁性層4を形成する際に、シードレイヤ22から離れるにしたがって徐々にスパッタガス圧を高くして反強磁性層4を成膜していき、前記反強磁性層4を半分程度成膜した段階で、今度は前記スパッタガス圧を徐々に低くして残りの反強磁性層4を成膜するのである。
【0311】
この方法によれば、元素Xあるいは元素X+X′の組成比(原子%)は、シードレイヤ22との界面から前記反強磁性層4の膜厚の中央付近にかけて徐々に低くなっていき、前記組成比(原子%)は、前記中央付近から前記固定磁性層3との界面にかけて徐々に高くなる。
【0312】
このため元素Xあるいは元素X+X′の組成比(原子%)は、シードレイヤ22及び固定磁性層3との界面近傍において最も大きく、膜厚のほぼ中央付近で最も低くなる反強磁性層4を形成することが可能になる。
【0313】
なお前記固定磁性層3との界面近傍及びシードレイヤ22との界面近傍で、前記反強磁性層4を構成する全元素の組成比を100at%としたときに、元素Xあるいは元素X+X′の組成比を、53at%以上65at%以下にすることが好ましく、より好ましくは55at%以上60at%以下である。
【0314】
また反強磁性層4の膜厚方向の中央付近で、前記元素Xあるいは元素X+X′の組成比を44(at%)以上57(at%)以下とすることが好ましく、より好ましくは46(at%)以上55(at%)以下である。また前記反強磁性層4の膜厚を76Å以上で形成することが好ましい。
【0315】
図9は、図8に示す積層膜に対し熱処理を施した後の状態を示すスピンバルブ型薄膜素子の模式図である。
【0316】
本発明では、上記のように前記シードレイヤ22及び固定磁性層3と接する側に、元素Xあるいは元素X+X′の組成比が多い第1及び第3の反強磁性層23,25を形成し、しかも前記第1及び第3の反強磁性層23,25間に、熱処理によって適切に不規則格子から規則格子に変態しやすい組成で形成された第2の反強磁性層24を設けているので、熱処理によって前記第2の反強磁性層24の部分で変態が進むと同時に、第1及び第3の反強磁性層23,25と第2の反強磁性層24間で組成拡散が起こると考えられ、したがって前記第1及び第3の反強磁性層23,25の部分でも、シードレイヤ22及び固定磁性層3との界面で適切に非整合状態を維持しながら、不規則格子から規則格子への変態が起こり、反強磁性層4全体で適切な変態を起すことができる。
【0317】
そして熱処理後におけるスピンバルブ型薄膜素子では、前記反強磁性層4と固定磁性層3は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、しかも前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、反強磁性層4と固定磁性層3とで互いに異なる方向を向いているのである。
【0318】
また前記反強磁性層4と固定磁性層3とを膜厚と平行な方向(図示Z方向)から断面としてみたときに、前記反強磁性層4の結晶粒界と前記固定磁性層3の結晶粒界は界面の少なくとも一部において不連続な状態になっている。
【0319】
なお熱処理後における反強磁性層4には、シードレイヤ22及び固定磁性層3に向かうにしたがって、Mnに対する元素Xあるいは元素X+X′の原子%の比率が、増加する領域が存在すると考えられる。
【0320】
図2に示すスピンバルブ型薄膜素子の場合では、反強磁性層4を上記した3層膜で形成してもよいが、例えば固定磁性層3側に接する第1の反強磁性層23と保護層7側に接する第2の反強磁性層24の2層構造で形成してもよい。図2では図1のようにシードレイヤ22が無いからである。
【0321】
なお上記のように反強磁性層4を2層膜で形成した場合には、熱処理後における反強磁性層4には、固定磁性層3に向かうにしたがって、Mnに対する元素Xあるいは元素X+X′の原子%の比率が増加する領域が存在するものと考えられる。
【0322】
また図3のスピンバルブ型薄膜素子の場合では、エクスチェンジバイアス層16を図2の場合と同様に2層膜で形成する。第1の反強磁性層23はフリー磁性層1側に接して形成し、前記フリー磁性層1から離れた側に第2の反強磁性層24を形成する。
【0323】
また図3に示す反強磁性層4を図1の場合と同様に3層膜で形成する。熱処理を施すことにより、前記エクスチェンジバイアス層16及び反強磁性層4は適切な規則変態を起し、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0324】
熱処理後における前記エクスチェンジバイアス層16には、フリー磁性層1に向かうにしたがって、Mnに対する元素Xあるいは元素X+X′の原子%の比率が増加する領域が存在するものと考えられる。
【0325】
また熱処理後における前記反強磁性層4には、固定磁性層3及びシードレイヤ22に向かうにしたがってMnに対する元素Xあるいは元素X+X′の原子%の比率が増加する領域が存在するものと考えられる。
【0326】
また図4に示すスピンバルブ型薄膜素子の製造方法では、反強磁性層4を図2の場合と同様に2層膜で形成する。第1の反強磁性層23は固定磁性層3側に接して形成し、前記固定磁性層3から離れた側に第2の反強磁性層24を形成する。
【0327】
またエクスチェンジバイアス層16を図1の反強磁性層4の場合と同様に3層膜で形成する。熱処理を施すことにより、前記エクスチェンジバイアス層16及び反強磁性層4は適切な規則変態を起し、大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0328】
熱処理後における前記エクスチェンジバイアス層16には、フリー磁性層1及びシードレイヤ22に向かうにしたがって、Mnに対する元素Xあるいは元素X+X′の原子%の比率が増加する領域が存在するものと考えられる。
【0329】
また熱処理後における前記反強磁性層4には、固定磁性層3に向かうにしたがって、Mnに対する元素Xあるいは元素X+X′の原子%の比率が増加する領域が存在するものと考えられる。
【0330】
図5に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子の製造方法では図10に示すように、フリー磁性層1よりも下側に位置する反強磁性層4を、第1の反強磁性層23、第2の反強磁性層24、及び第3の反強磁性層25の3層膜で形成し、フリー磁性層1よりも上側に位置する反強磁性層4を、第1の反強磁性層14及び第2の反強磁性層15の2層膜で形成する。
【0331】
前記第1の反強磁性層14,23、第2の反強磁性層24、及び第3の反強磁性層25の膜厚、及び組成に関しては図1で説明したものと同じである。
【0332】
図10に示すように成膜した後、熱処理を施す。その状態は図11に表されている。図11では、フリー磁性層1よりも下側に形成されている反強磁性層4を構成する3層膜が組成拡散を起し、熱処理後における前記反強磁性層4には、固定磁性層3及びシードレイヤ22に向かうにしたがって、Mnに対する元素Xあるいは元素X+X′の原子%の比率が増加する領域が存在するものと考えられる。
【0333】
またフリー磁性層1よりも上側に形成された反強磁性層4を構成する2層膜もまた組成拡散を起し、熱処理後における前記反強磁性層4には、固定磁性層3に向かうにしたがって、Mnに対する元素Xあるいは元素X+X′の原子%の比率が増加する領域が存在するものと考えられる。
【0334】
次に図6に示すAMR型薄膜素子の製造方法では、エクスチェンジバイアス層21を図10に示すフリー磁性層1よりも図示上側に形成された反強磁性層4と同様に2層膜で形成する。前記エクスチェンジバイアス層21は、磁気抵抗層20と接する第1の反強磁性層14と前記磁気抵抗層20から離れた側に形成される第2の反強磁性層15とで形成する。
【0335】
熱処理を施すと、前記エクスチェンジバイアス層21は適切な規則変態を起し、前記エクスチェンジバイアス層21と磁気抵抗層20との間で大きな交換結合磁界が発生する。
【0336】
そして熱処理後における前記エクスチェンジバイアス層21には、磁気抵抗層20に向かうにしたがって、Mnに対する元素Xあるいは元素X+X′の原子%の比率が増加する領域が存在するものと考えられる。
【0337】
また図7に示すAMR型薄膜素子の製造方法では、エクスチェンジバイアス層21を図8に示す反強磁性層4と同様に3層膜で形成する。前記エクスチェンジバイアス層21は、磁気抵抗層20に接する第1の反強磁性層23と、シードレイヤ22に接する第3の反強磁性層25と、前記第1及び第3の反強磁性層23,25の間に形成される第2の反強磁性層24で形成する。
【0338】
熱処理を施すと、前記エクスチェンジバイアス層21は適切な規則変態を起し、前記エクスチェンジバイアス層21と磁気抵抗層20との間で大きな交換結合磁界が発生する。
【0339】
そして熱処理後における前記エクスチェンジバイアス層21には、磁気抵抗層20及びシードレイヤ22に向かうにしたがって、Mnに対する元素Xあるいは元素X+X′の原子%の比率が増加する領域が存在するものと考えられる。
【0340】
図12は、図1から図11に示す磁気抵抗効果素子が形成された読み取りヘッドの構造を記録媒体との対向面側から見た断面図である。
【0341】
符号40は、例えばNiFe合金などで形成された下部シールド層であり、この下部シールド層40の上に下部ギャップ層41が形成されている。また下部ギャップ層41の上には、図1ないし図7に示す磁気抵抗効果素子42が形成されており、さらに前記磁気抵抗効果素子42の上には、上部ギャップ層43が形成され、前記上部ギャップ層43の上には、NiFe合金などで形成された上部シールド層44が形成されている。
【0342】
前記下部ギャップ層41及び上部ギャップ層43は、例えばSiO2やAl2O3(アルミナ)などの絶縁材料によって形成されている。図12に示すように、下部ギャップ層41から上部ギャップ層43までの長さがギャップ長Glであり、このギャップ長Glが小さいほど高記録密度化に対応できるものとなっている。
【0343】
本発明では反強磁性層4の膜厚を小さくしてもなお大きな交換結合磁界を発生させることができる。よって磁気抵抗効果素子の膜厚を従来に比べて小さくすることができ、狭ギャップ化により高記録密度化に対応可能な薄膜磁気ヘッドを製造することが可能になっている。
【0344】
なお本発明では、図1、図3、図4、図5及び図7において反強磁性層4(またはエクスチェンジバイアス層16あるいは磁気抵抗層20)の下側にシードレイヤ22を形成した実施例を載せたが、この形態に限定するものではない。
【0345】
また本発明では、膜厚方向と平行な方向に切断した切断面において、反強磁性層4の結晶粒界と強磁性層の結晶粒界とが界面の少なくとも一部で不連続な状態となっているが、この場合、前記反強磁性層及び強磁性層の結晶配向は、膜面と平行な方向に異なる結晶面が優先配向していてもかまわない。このような場合でも反強磁性層は熱処理によって適切な規則変態を起し大きな交換結合磁界を得ることが可能である。
【0346】
【実施例】
本発明では、以下に記載する膜構成のスピンバルブ膜を形成し、反強磁性層を構成するPtMn合金膜のPt量を変化させながら、前記Pt量と交換結合磁界(Hex)との関係を調べた。
【0347】
膜構成は下から、
Si基板/アルミナ/下地層:Ta(3nm)/シードレイヤ:NiFe(3nm)/反強磁性層:PtxMn100-x(15nm)/固定磁性層:[Co(1.5nm)/Ru(0.8nm)/Co(2.5nm)]/非磁性中間層:Cu(2.3nm)/フリー磁性層:[Co(1nm)/NiFe(3nm)]/バックド層:Cu(1.5nm)/保護層:Ta(3nm)
であり、各層に記載された括弧書きの数値は膜厚を示している。
【0348】
上記膜構成のスピンバルブ膜を成膜した後、200℃以上2時間以上の熱処理を施し、交換結合磁界を測定した。その実験結果を図13に示す。
【0349】
図13に示すように、Pt量Xが約50(at%)〜55(at%)程度まで増加すると、交換結合磁界(Hex)も増加することがわかる。また前記Pt量Xが約55(at%)以上になると交換結合磁界は徐々に減少することがわかる。
【0350】
本発明では、交換結合磁界が1.58×10 4 (A/m)以上得られる場合を好ましいPt量とし、図13に示す実験結果から好ましいPt量を45(at%)以上60(at%)以下と設定した。
【0351】
また本発明では交換結合磁界が7.9×10 4 (A/m)以上得られる場合をより好ましいPt量とし、図13に示す実験結果からより好ましいPt量を49(at%)以上56.5(at%)以下と設定した。
【0352】
上記のようにPt量によって交換結合磁界の大きさに変化が現れるのは、Pt量を変化させることによって反強磁性層と強磁性層(固定磁性層)との界面の状態が変化するためであると考えられる。
【0353】
ここでPt量は多くなればなるほど反強磁性層の格子定数は大きくなることがわかっている。このためPt量を多くすることによって反強磁性層と強磁性層との格子定数の差を広げることができ、前記反強磁性層と強磁性層との界面を非整合状態にしやすくできる。
【0354】
一方、上記した膜構成のように反強磁性層の下側にシードレイヤを形成することによって前記シードレイヤ上に形成される反強磁性層等の各層の結晶配向を、前記シードレイヤと同様に膜面と平行な方向に{111}面を優先配向させやすくなる。
【0355】
またPt量は多ければ多いほど良いわけではない。Pt量を多くしすぎると前記反強磁性層は熱処理を施しても適切な規則変態を起すことができないからである。
【0356】
本発明では、反強磁性層の下側にシードレイヤを敷いたこと、及び反強磁性層を構成するPt量を規則変態を起しやすく且つ強磁性層との界面を非整合状態に保ちやすい組成で形成したことによって、熱処理を施すと前記反強磁性層は、強磁性層との界面で非整合状態を保ちながら適切な規則変態を起し、熱処理を施した後の状態では、前記反強磁性層と強磁性層は膜面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向し、且つ前記結晶面内に存在する、ある同じ等価な結晶軸の方向の少なくとも一部が前記反強磁性層と強磁性層とで互いに異なる方向を向く結晶配向となっているのである。
【0357】
また前記反強磁性層と強磁性層とを膜厚と平行な方向から切断した切断面を観測すると、前記反強磁性層の結晶粒界と強磁性層の結晶粒界とが、前記反強磁性層と強磁性層との界面の少なくとも一部で不連続な状態となっているのである。
【0358】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明における交換結合膜では、反強磁性層と強磁性層の前記界面と平行な方向に配向する結晶面は、互いに同じ面が優先配向し、前記結晶面内に存在する、ある同じ結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層及び強磁性層とで互いに異なる方向を向いていることを特徴とするものである。
【0359】
このような結晶配向が生じる場合には、前記反強磁性層は熱処理によって適切な規則変態を起しており、従来に比べて大きな交換結合磁界を得ることができる。
【0360】
また本発明では、前記反強磁性層の下側にシードレイヤを形成することが好ましい。前記シードレイヤを設けることで前記シードレイヤ上に形成される反強磁性層及び強磁性層の結晶配向を膜面と平行な方向に同じ結晶面で優先配向させやすくなる。また反強磁性層及び強磁性層は膜面と平行な方向に同じ結晶面が優先配向すると、抵抗変化率を大きくすることが可能である。
【0361】
上記した交換結合膜は様々な磁気抵抗効果素子に適用することができ、前記交換結合膜を有する磁気抵抗効果素子であると、今後の高記録密度化に適切に対応することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造をABS面側から見た断面図、
【図2】本発明の第2実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造をABS面側から見た断面図、
【図3】本発明の第3実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造をABS面側から見た断面図、
【図4】本発明の第4実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造をABS面側から見た断面図、
【図5】本発明の第5実施形態のデュアルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造をABS面側から見た断面図、
【図6】本発明の第6実施形態のAMR型磁気抵抗効果素子の構造をABS面側から見た断面図、
【図7】本発明の第7実施形態のAMR型磁気抵抗効果素子の構造をABS面側から見た断面図、
【図8】図1に示す磁気抵抗効果素子の成膜段階の状態を示す模式図、
【図9】図8に示す積層膜に熱処理を施した後の前記積層膜の構造を示す模式図、
【図10】図5に示す磁気抵抗効果素子の成膜段階の状態を示す模式図、
【図11】図10に示す積層膜に熱処理を施した後の前記積層膜の構造を示す模式図、
【図12】本発明における薄膜磁気ヘッド(再生ヘッド)の構造示す部分断面図、
【図13】反強磁性層(PtMn合金膜)のPt量を変化させた場合における、前記Pt量と交換結合磁界(Hex)との関係を示すグラフ、
【図14】本発明における交換結合膜の反強磁性層と強磁性層との結晶配向を模式図的に示した図、
【図15】比較例における交換結合膜の反強磁性層と強磁性層との結晶配向を模式図的に示した図、
【図16】本発明におけるスピンバルブ膜の膜面と平行方向からの透過電子線回折像、
【図17】比較例におけるスピンバルブ膜の膜面と平行方向からの透過電子線回折像、
【図18】図16に示す透過電子線回折像の部分模式図、
【図19】図17に示す透過電子線回折像の部分模式図、
【図20】本発明における反強磁性層の膜面と垂直方向からの透過電子線回折像の模式図、
【図21】本発明における強磁性層の膜面と垂直方向からの透過電子線回折像の模式図、
【図22】図20及び21の透過電子線回折像を重ねあわせた模式図、
【図23】比較例における反強磁性層の膜面と垂直方向からの透過電子線回折像の模式図、
【図24】比較例における強磁性層の膜面と垂直方向からの透過電子線回折像の模式図、
【図25】図23及び24の透過電子線回折像を重ねあわせた模式図、
【図26】本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真、
【図27】比較例におけるスピンバルブ型薄膜素子を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真、
【図28】図26に示す透過電子顕微鏡写真の部分模式図、
【図29】図27に示す透過電子顕微鏡写真の部分模式図、
【符号の説明】
1 フリー磁性層
2 非磁性中間層
3 固定磁性層(強磁性層)
4 反強磁性層
5 ハードバイアス層
6 下地層
7 保護層
8 導電層
14、23 第1の反強磁性層
15、24 第2の反強磁性層
16、21 エクスチェンジバイアス層
17、26 絶縁層
18 軟磁性層(SAL層)
19 非磁性層(SHUNT層)
20 磁気抵抗層(MR層)
22 シードレイヤ
25 第3の反強磁性層
42 磁気抵抗効果素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention comprises an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is made constant by an exchange coupling magnetic field generated at the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer. In particular, an exchange coupling film capable of obtaining a large exchange coupling magnetic field, a magnetoresistive effect element (spin valve thin film element, AMR element) using the exchange coupling film, and the magnetoresistive effect The present invention relates to a thin film magnetic head using an element.
[0002]
[Prior art]
A spin valve thin film element is a kind of GMR (giant magnetoresistive) element using a giant magnetoresistive effect, and detects a recording magnetic field from a recording medium such as a hard disk.
[0003]
This spin-valve type thin film element has some excellent points such as a relatively simple structure among GMR elements and a resistance change by a weak magnetic field.
[0004]
The spin valve thin film element has the simplest structure, and is composed of an antiferromagnetic layer, a pinned magnetic layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a free magnetic layer.
[0005]
The antiferromagnetic layer and the pinned magnetic layer are formed in contact with each other, and the magnetization direction of the pinned magnetic layer is made constant by an exchange anisotropic magnetic field generated at the interface between the antiferromagnetic layer and the pinned magnetic layer. Single domain and fixed.
[0006]
The magnetization of the free magnetic layer is aligned in the direction intersecting with the magnetization direction of the pinned magnetic layer by the bias layers formed on both sides thereof.
[0007]
As the antiferromagnetic layer, a Fe—Mn (iron-manganese) alloy film, a Ni—Mn (nickel-manganese) alloy film, a Pt—Mn (platinum-manganese) alloy film, or the like is generally used. However, among these, the Pt—Mn alloy film is particularly in the spotlight because it has various excellent points such as high blocking temperature and excellent corrosion resistance.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the present inventors have found that even if a PtMn alloy film is used for the antiferromagnetic layer, the exchange coupling magnetic field generated between the antiferromagnetic layer and the fixed magnetic layer may be small.
[0009]
When a PtMn alloy film is used for the antiferromagnetic layer, the antiferromagnetic layer is transformed from an irregular lattice to a regular lattice by performing a heat treatment after laminating the antiferromagnetic layer and the pinned magnetic layer. Thus, an exchange coupling magnetic field can be generated.
[0010]
However, at the interface between the antiferromagnetic layer and the pinned magnetic layer, there is a one-to-one correspondence between the atoms of the antiferromagnetic material constituting the antiferromagnetic layer and the atoms of the soft magnetic material constituting the pinned magnetic layer. When in a so-called matched state, the antiferromagnetic layer does not appropriately cause the above-described regular transformation, and a large exchange coupling magnetic field cannot be generated.
[0011]
Conventionally, the above-described matching state is, for example, that of an antiferromagnetic layer.{111}The plane is preferentially oriented in a direction parallel to the interface with the pinned magnetic layer, and similarly the pinned magnetic layer{111}It was thought that this may occur when the crystal orientation of the antiferromagnetic layer and the pinned magnetic layer is the same at the interface, as in the case where the plane is preferentially oriented in a direction parallel to the interface.
[0012]
The present invention is for solving the above-mentioned conventional problems. When an antiferromagnetic material containing element X (X is a platinum group element) and Mn is used as an antiferromagnetic layer, a large exchange anisotropic property is obtained. The present invention relates to an exchange coupling film capable of generating a magnetic field, a magnetoresistance effect element using the exchange coupling film, and a thin film magnetic head using the magnetoresistance effect element.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer are formed in contact with each other, an exchange coupling magnetic field is generated at the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is constant. In the exchange coupling membrane
The antiferromagnetic layer is formed of an antiferromagnetic material containing element X (where X is one or more of Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, and Os) and Mn. And
As for crystal planes oriented in a direction parallel to the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, the same equivalent crystal planes are preferentially oriented, and at least one of the same equivalent crystal axes existing in the crystal plane. The portions are directed in different directions in the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
[0014]
In the present invention, the crystal plane is preferably an equivalent crystal plane typically represented as a {111} plane. The direction of the crystal axis is preferably an equivalent crystal axis direction typically represented as a <110> direction.
[0015]
In the present invention, as described above, the crystal planes oriented in the direction parallel to the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are preferentially oriented to the same equivalent crystal plane. As already described, when the same equivalent crystal plane is preferentially oriented in the direction parallel to the film surface in the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, the arrangement of atoms on the antiferromagnetic layer side at the interface, and It tends to be in a so-called matching state in which the arrangement of atoms on the ferromagnetic layer side is in a one-to-one correspondence. As a result, the antiferromagnetic layer does not cause proper regular transformation and cannot generate a large exchange coupling magnetic field. It was considered a thing.
[0016]
However, the present inventors appropriately ordered transformation of the antiferromagnetic layer by heat treatment even when the same equivalent crystal planes of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are preferentially oriented in the direction parallel to the interface, It has been found that a large exchange coupling magnetic field can be obtained.
[0017]
In the present invention, as described above, at least some of the same equivalent crystal axes existing in the crystal plane are oriented in different directions in the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
[0018]
FIG. 14 is a partial perspective view schematically showing the crystal orientation of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer constituting the exchange coupling film of the present invention.
[0019]
[0020]
In the
[0021]
As shown in FIG. 14, the direction of the crystal axis perpendicular to the (111) plane (the c direction in the figure) is the [111] direction, and as described above, the
[0022]
Here, the (111) plane indicates a crystal plane (real lattice plane; that is, a reciprocal lattice plane in the diffraction pattern) in the case of a single crystal structure expressed using a Miller index, and is equivalent (equivalent) to the (111) plane. (-111) plane, (1-11) plane, (11-1) plane, (-1-11) plane, (1-1-1) plane, (-11-1) plane as other crystal planes , (-1-1-1) plane exists. In this specification, these equivalent crystal planes are not particularly distinguished, and when one of the equivalent crystal planes is indicated, typically{111}It is written as a surface.
[0023]
The [111] direction and the [110] direction shown below indicate the crystal axis direction of the above-described equivalent crystal plane. The [111] direction includes an equivalent (equivalent) [-111] direction, [11-1] direction, [1-11] direction, [-1-11] direction [1-1-1] direction, [ -11-1] direction and [1-1-1] direction exist, and the [110] direction includes the equivalent [-110] direction, [1-10] direction, and [-1-10] direction. , [-10-1] direction, [101] direction, [−101] direction, [10-1] direction, [011] direction, [01-1] direction, [0-11] direction, [0-1] -1] direction exists. When indicating any of these equivalent crystal axis directions, they are typically described as the <111> direction and the <110> direction.
[0024]
In the exchange coupling film shown in FIG. 14, of the crystal axes existing in the (111) plane, for example, the [110] direction is shown as an example. Facing the direction.
[0025]
However, the [110] direction in the
[0026]
As described above, in the exchange coupling film according to the present invention, the crystal planes oriented in the direction parallel to the film surfaces of the
[0027]
With such a crystal orientation, the arrangement of atoms on the
[0028]
In the case of having the crystal orientation described above, the
[0029]
FIG. 15 is a partial perspective view schematically showing the crystal orientation of an exchange coupling film as a comparative example.
[0030]
[0031]
Similar to the exchange coupling film in FIG. 15, the (111) planes of the
[0032]
Since both the (111) planes of the
[0033]
On the other hand, in this exchange coupling film, among the directions of the crystal axes existing in the (111) plane, for example, the [110] direction faces the same a direction in the figure as both the
[0034]
The exchange coupling film having the crystal orientation as described above is likely to occur when the
[0035]
By having the crystal orientation described above, the arrangement of atoms constituting each layer can easily correspond to one-to-one at the interface between the
[0036]
As described above, in the present invention, the crystal planes in the direction parallel to the film planes of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are preferentially oriented with the same equivalent plane, and exist within the crystal plane. At least a part of the crystal axes are directed in different directions in the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and such crystal orientation is discriminated from the transmission electron diffraction image described below. Is possible.
[0037]
In the present invention, an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer are formed in contact with each other, an exchange coupling magnetic field is generated at the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is constant. In the exchange coupling membrane
The transmission electron beam diffraction images of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer obtained by making the electron beam incident in a direction parallel to the interface show diffraction spots corresponding to reciprocal lattice points representing the crystal planes of the respective layers. Appears,
Among the diffraction spots, the same indexing is made in the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer, and the diffraction spots showing a certain crystal plane located in the film thickness direction when viewed from the beam origin, The first imaginary line connecting the beam origin coincides with the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer,
The second imaginary line connecting the diffraction origin showing the crystal plane and the beam origin, which is indexed in the same direction and located in a direction other than the film thickness direction when viewed from the origin of the beam, is antiferromagnetic The diffraction pattern of the layer and the diffraction pattern of the ferromagnetic layer are shifted from each other.
[0038]
In the present invention, the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are formed in contact with each other, an exchange coupling magnetic field is generated at the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is constant. In the exchange coupling membrane,
In the transmission electron beam diffraction images of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer obtained by making an electron beam incident from a direction parallel to the interface, diffraction spots corresponding to reciprocal lattice points representing each crystal plane of each layer are obtained. Appear,
Among the diffraction spots, the same indexing is made in the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer, and the diffraction spots showing a certain crystal plane located in the film thickness direction when viewed from the beam origin, The first imaginary line connecting the beam origin coincides with the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer,
When viewed from the beam origin, a diffraction spot indicating a crystal plane located in a direction other than the film thickness direction appears only in one of the diffraction images of the antiferromagnetic layer or the ferromagnetic layer, and To do.
[0039]
In the present invention, it is preferable that the diffraction spots located in the film thickness direction represent an equivalent crystal plane typically represented as a {111} plane.
[0040]
In the above invention, the crystal orientation of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer in the present invention is defined using a transmission electron beam diffraction image obtained by making an electron beam incident from a direction parallel to the interface.
[0041]
Here, the transmission electron beam diffraction image is an image showing a diffraction phenomenon caused by electron beam scattering (Bragg reflection) when an electron beam is incident on and transmitted through an object by a transmission electron microscope or the like.
[0042]
Based on the indexed diffraction pattern obtained from a general single crystal structure, indexing is performed on the diffraction spots appearing in the above diffraction image, thereby the crystal orientation of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer. Can be examined.
[0043]
As described above, in the present invention, of the diffraction spots, the same index is assigned to the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer, and a certain crystal located in the film thickness direction when viewed from the beam origin A first imaginary line connecting a diffraction spot indicating a surface and the beam origin coincides with each other in the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer. This means that the same crystal plane is preferentially oriented in the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer in a direction parallel to the interface.
[0044]
Next, the second imaginary line connecting the beam origin and the diffraction spot showing a certain crystal plane, which is indexed and located in a direction other than the film thickness direction when viewed from the beam origin, The diffraction pattern of the antiferromagnetic layer and the diffraction pattern of the ferromagnetic layer are shifted from each other. Alternatively, when viewed from the beam origin, diffraction spots indicating a crystal plane located in a direction other than the film thickness direction appear only in one of the diffraction images of the antiferromagnetic layer or the ferromagnetic layer. This is because the crystal plane located in a direction other than the direction parallel to the film plane is not in a parallel relationship between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the crystal plane is shifted between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer. It has become.
[0045]
That is, in the present invention, the crystal planes of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are preferentially oriented in the same equivalent crystal plane in the direction parallel to the interface, but the other crystal planes are the same as the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer. It is presumed that the arrangement of atoms in the antiferromagnetic layer and the arrangement of atoms in the ferromagnetic layer are not in a one-to-one relationship at the interface.
[0046]
16 and 17 show transmission electron beam diffraction images obtained by cutting a laminated film (spin valve film) from the film thickness direction and allowing an electron beam to enter from a direction perpendicular to the cross section (that is, a direction parallel to the film surface). It is. The transmission electron beam diffraction image shown in FIG. 16 was obtained with an electron beam aperture such that both an antiferromagnetic layer and a layer other than the antiferromagnetic layer were irradiated with an electron beam at the same time. .
[0047]
18 is a schematic diagram of the transmission electron beam diffraction image shown in FIG. 16, and FIG. 19 is a schematic diagram of the transmission electron beam diffraction image shown in FIG.
[0048]
FIG. 16 is a transmission electron diffraction image measured from the spin valve film of the present invention having the following film structure.
Al2OThree(3 nm) / Ta (3 nm) / seed layer: Ni80Fe20(2 nm) / Antiferromagnetic layer: Pt54Mn46(15 nm) / pinned magnetic layer: [Co (1.5 nm / Ru (0.8 nm) / Co (2.5 nm)] / nonmagnetic intermediate layer: Cu (2.5 nm) / free magnetic layer: [Co (1 nm ) / Ni80Fe20(3 nm)] / backed layer: Cu (1.5 nm) / protective layer: Ta (1.5 nm) / Ta oxide film.
[0049]
FIG. 17 is a transmission electron beam diffraction image measured from a spin valve film of a comparative example having the following film configuration.
Al2OThree(3 nm) / Ta (3 nm) / seed layer: Ni80Fe20(2 nm) / Antiferromagnetic layer: Pt44Mn56(13 nm) / pinned magnetic layer: [Co (1.5 nm / Ru (0.8 nm) / Co (2.5 nm)] / nonmagnetic intermediate layer: Cu (2.5 nm) / free magnetic layer: [Co (1 nm ) / Ni80Fe20(3 nm)] / backed layer: Cu (1.5 nm) / protective layer: Ta (1.5 nm) / Ta oxide film.
[0050]
The numerical values in parentheses in the film configuration described above indicate the film thickness of each layer. Further, in the electron diffraction image shown in FIG. 16, in the notation of the crystal plane expressed by the Miller index, “−” (bar) is added on the numeral “1”, which is “−1”. It is (minus 1), and is written as “−1” in the specification.
[0051]
As shown in FIG. 16, in the transmission electron beam diffraction image of the example, it is understood that diffraction spots of the antiferromagnetic layer (PtMn) indexed with the (1-11) plane appear in the film thickness direction. Similarly, in the film thickness direction, a layer other than the antiferromagnetic layer indexed as (1-11) plane (shown on the electron diffraction image as fcc-Co / Cu / NiFe). It can be seen that diffraction spots appear.
[0052]
When the diffraction spots are represented on the schematic diagram shown in FIG. 18, the first imaginary line connecting the (1-11) plane in the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the indexed diffraction spots to the origin of the beam; It can be seen that the (1-11) plane in the diffraction image of a layer other than the antiferromagnetic layer and the first imaginary line connecting the indexed diffraction spot to the origin of the beam coincide with each other.
[0053]
Further, as shown in FIG. 16, in the transmission electron beam diffraction image of the example, diffraction spots of the antiferromagnetic layer (PtMn) indexed with the (−111) plane appear in directions other than the film thickness direction. Recognize. Similarly, in a direction other than the film thickness direction, a layer other than the antiferromagnetic layer indexed with the (−111) plane (shown as fcc-Co / Cu / NiFe on the electron diffraction image). It can be seen that diffraction spots appear.
[0054]
However, as shown in FIG. 18, it can be seen that the second imaginary lines connecting the diffraction spots and the beam origin do not coincide with each other and are shifted.
[0055]
That is, it can be seen from the electron diffraction patterns in the examples that the same equivalent crystal plane represented as the {111} plane is preferentially oriented in the direction parallel to the film thickness in the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer. However, the crystal plane other than the crystal plane oriented parallel to the film plane is not in a parallel relationship between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
[0056]
In the examples shown in FIGS. 16 and 18, (−111) diffraction spots of both the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, that is, diffraction spots existing in a direction other than the film thickness direction appear. When the crystal orientation of one layer is in an orientation that is further rotated about the film thickness direction, the (−111) diffraction spots of either layer may not appear in the diffraction image. Even in such a case, the crystal plane other than the crystal plane oriented in parallel with the film plane means that the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are not in a parallel relationship.
[0057]
On the other hand, as shown in FIG. 17, in the transmission electron beam diffraction image of the comparative example, it can be seen that diffraction spots on the {111} plane of the antiferromagnetic layer (PtMn) appear in the film thickness direction. Similarly, diffraction spots on the {111} plane of layers other than the antiferromagnetic layer (shown as fcc-Co / Cu / NiFe on the electron diffraction image) appear in the film thickness direction. I understand that.
[0058]
The diffraction spots appearing in the transmission electron beam diffraction image shown in FIG. 17 are not expressed as equivalent crystal planes such as the (111) plane and the (11-1) plane, but are expressed to include all these equivalent crystal planes. The {111} plane is specified differently from the case of FIG.{111}This is because it is not necessary to refer to the diffraction spots (for example, (−111)) in the explanation.
[0059]
Further, as shown in FIG. 17, it can be seen that in the transmission electron beam diffraction image of the comparative example, diffraction spots on the {200} plane of the antiferromagnetic layer (PtMn) appear in directions other than the film thickness direction. Similarly, diffraction spots on the {200} plane of layers other than the antiferromagnetic layer (shown as fcc-Co / Cu / NiFe on the electron diffraction image) appear in directions other than the film thickness direction. I understand that.
[0060]
As can be seen from the schematic diagram shown in FIG. 19, in the transmission electron beam diffraction image of the comparative example, diffraction spots on the {111} plane of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer appear in the film thickness direction when viewed from the beam origin. The first imaginary line connecting the diffraction spots and the beam origin coincides with each other in the diffraction images of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and appears in a direction other than the film thickness direction when viewed from the beam origin { The second imaginary line connecting the diffraction spot of the 200} plane and the beam origin also coincides with each other in the diffraction images of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
[0061]
That is, in the comparative example, the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer have a parallel relationship even in the crystal plane that appears in a direction other than the film surface direction, which is an epitaxial growth of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer. It is presumed that at the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, the arrangement of atoms in the antiferromagnetic layer and the arrangement of atoms in the ferromagnetic layer are in a one-to-one correspondence. It has become easier. And in the said matching state, the said antiferromagnetic layer cannot raise | generate an appropriate regular transformation by heat processing, and cannot exhibit a big exchange coupling magnetic field.
[0062]
When the exchange coupling magnetic field (Hex) of the spin valve film actually formed by the film structure of the comparative example was measured, it was 0.24 × 10FourOnly an exchange coupling magnetic field as low as (A / m) was obtained.
[0063]
On the other hand, in the present invention, the same equivalent crystal plane is preferentially oriented in the direction parallel to the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, but the antiferromagnetic layer and the strong layer are strong in other crystal planes. There is no parallel relationship with the magnetic layer. In other words, this is a state in which the crystal orientation of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer is rotated about the direction perpendicular to the interface, and in a crystal plane preferentially oriented in a direction parallel to the interface. This means that at least a part of the same equivalent crystal axis that exists is oriented in different directions on the antiferromagnetic layer side and the ferromagnetic layer side.
[0064]
Therefore, there is no one-to-one relationship between the arrangement of atoms in the antiferromagnetic layer and the arrangement of atoms in the ferromagnetic layer at the interface, and when the antiferromagnetic layer is subjected to heat treatment, the antiferromagnetic layer is strong. It is considered that an appropriate regular transformation is caused without being constrained by the crystal structure of the magnetic layer, and a larger exchange coupling magnetic field can be obtained compared to the conventional case.
[0065]
When the exchange coupling magnetic field (Hex) of the spin valve film of the present invention actually used in the above experiment was measured, it was 10.9 × 10FourA very large exchange coupling magnetic field of (A / m) could be obtained.
[0066]
Further, according to the present invention, an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer are formed in contact with each other, an exchange coupling magnetic field is generated at the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is a constant direction. In the exchange coupling membrane,
In the transmission electron beam diffraction images of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer obtained by making the electron beam incident from the direction perpendicular to the interface, diffraction spots corresponding to reciprocal lattice points representing the crystal planes of the respective layers are obtained. Appear,
Among the diffraction spots, an imaginary line connecting the diffraction spot of the antiferromagnetic layer and the diffraction origin of the ferromagnetic layer and connecting from the diffraction spot to the beam origin is a diffraction image of the antiferromagnetic layer. And the diffraction pattern of the ferromagnetic layer are shifted from each other.
[0067]
Alternatively, in the present invention, the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are formed in contact with each other, an exchange coupling magnetic field is generated at the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is a constant direction. In the exchange coupling membrane,
In the transmission electron beam diffraction images of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer obtained by making the electron beam incident from the direction perpendicular to the interface, diffraction spots corresponding to reciprocal lattice points representing the crystal planes of the respective layers are obtained. Appear,
Among the diffraction spots, diffraction spots with an index appear only in one of the diffraction images of the antiferromagnetic layer or the ferromagnetic layer,
The crystal plane parallel to the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer is preferentially oriented to the same equivalent crystal plane, and at least a part of the same equivalent crystal axis existing in the crystal plane is the The antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are facing different directions.It is characterized by this.
[0068]
In the present invention, the direction perpendicular to the interface is preferably an equivalent crystal axis direction represented as a <111> direction.
[0069]
In the present invention, the crystal plane parallel to the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer is preferably an equivalent crystal plane typically represented as a [111] plane.
[0070]
In this invention, the transmission electron beam diffraction image is measured from the direction perpendicular to the interface.
[0071]
In the transmission electron beam diffraction image of the antiferromagnetic layer and the transmission electron beam diffraction image of the ferromagnetic layer, diffraction spots corresponding to reciprocal lattice points representing the crystal planes of the respective layers appear.
[0072]
Further, among the diffraction spots, the imaginary line connecting the diffraction spot and the beam origin, which is indexed in the diffraction pattern of the antiferromagnetic layer and the diffraction pattern of the ferromagnetic layer, is the diffraction pattern of the antiferromagnetic layer. The image and the diffraction image of the ferromagnetic layer are shifted from each other. Alternatively, a certain diffraction spot appears only on one diffraction image and does not appear on the other. This means that other crystal planes not located in the direction parallel to the interface are not in a parallel relationship between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
[0073]
That is, in the present invention, both the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are preferentially oriented in the same equivalent crystal plane in the film plane direction, but the other crystal plane not oriented in the film plane direction is the antiferromagnetic layer. There is no parallel relationship between the layer and the ferromagnetic layer, which is a state in which the crystal orientation of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer is rotated at an angle with the axis perpendicular to the interface as an axis. At the interface, it is considered that the arrangement of atoms in the antiferromagnetic layer does not correspond to the arrangement of atoms in the ferromagnetic layer on a one-to-one basis.
[0074]
20 to 22 conceptually show the above-mentioned transmission electron beam diffraction images. The transmission electron diffraction pattern shown in FIG. 20 is the electron diffraction pattern of the PtMn crystal, FIG. 21 is the electron diffraction pattern of the ferromagnetic layer (fcc-Co) crystal, and FIG. This is a figure in which the diffraction spots (beam origin) of (000) shown in FIG.
[0075]
In addition, the black circle shown in FIG. 20 is a diffraction spot, and the numerical value indexed to each diffraction spot is described. Similarly, white circles shown in FIG. 21 are diffraction spots, and numerical values indexed to the respective diffraction spots are described.
[0076]
As shown in FIG. 20, the crystal axis direction connecting the beam origin (000) and the diffraction spot (-2-24) indicates the [-1-12] direction. The crystal axis direction connecting the beam origin (000) and the diffraction spots (2-20) indicates the [1-10] direction.
[0077]
The diffraction pattern shown in FIG. 21 is indexed in the same manner as shown in FIG. 20, and the [-1-12] direction and [1-10] direction are shown. It can be seen that the direction is different from the corresponding crystal axis direction shown in FIG.
[0078]
That is, as can be seen from FIG. 22 in which the diffraction pattern shown in FIG. 20 and the diffraction pattern shown in FIG. 21 are superimposed, a hypothesis connecting the diffraction spot (-2-24) of the antiferromagnetic layer and the beam origin (000) is connected. The line {circle over (1)} is separated from the phantom line {circle around (2)} connecting the diffraction spot (−2−24) of the ferromagnetic layer and the beam origin (000), and the diffraction of the antiferromagnetic layer is similarly performed. An imaginary line (3) connecting the spot (2-20) and the beam origin (000) deviates from a virtual line (4) connecting the diffraction spot (2-20) of the ferromagnetic layer and the beam origin (000). It turns out that it is in the state.
[0079]
As can be seen from the transmission electron diffraction pattern described above, the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are the same in the direction parallel to the film surface, as in the crystal orientation of the present invention described with reference to FIG. Equivalent crystal planes are preferentially oriented, but the same equivalent crystal axis direction existing in the crystal plane faces different directions in the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, in other words In other crystal planes that are not oriented in the direction parallel to the film plane, the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are non-parallel.
[0080]
23 to 25 show the transmission electron diffraction patterns of the comparative example, FIG. 23 shows the transmission electron diffraction patterns of the antiferromagnetic layer (PtMn) crystal, and FIG. 24 shows the transmission of the ferromagnetic layer (fcc-Co) crystal. An electron diffraction pattern, FIG. 25, is a diffraction pattern in which the beam origins appearing in the diffraction patterns of FIGS.
[0081]
As shown in FIGS. 23 and 24, the crystal axis directions [-1-12] connecting the diffraction spots (-2-24) of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer and the beam origin point in the same direction. In addition, the crystal axis direction [1-10] direction connecting the diffraction spots (2-20) of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer and the beam origin point also in the same direction.
[0082]
That is, as shown in FIG. 25, the phantom line (5) connecting the diffraction spot (-2-24) and the beam origin coincides with each other between the diffraction pattern of the antiferromagnetic layer and the diffraction pattern of the ferromagnetic layer. The phantom line (6) connecting the diffraction spot (2-20) to the origin is also coincident with each other between the diffraction pattern of the antiferromagnetic layer and the diffraction pattern of the ferromagnetic layer.
[0083]
In the comparative example, in the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, not only the same equivalent crystal plane is preferentially oriented in the direction parallel to the film surface, but also the directions of the same equivalent crystal axes existing in the crystal plane are Are completely matched between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the parallel relationship between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer also exists in other crystal planes that are not located in the direction parallel to the film surface. It means that it has.
[0084]
As described above, in the present invention, the transmission electron beam diffraction images shown in FIGS. 16 to 25 are used, and the difference that can be discriminated from the diffraction images of the spin valve film of the present invention and the spin valve film of the comparative example has been described. Transmission electron diffraction images as in the present invention show that the same equivalent crystal plane is preferentially oriented in the direction parallel to the film surface of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and exists in the same crystal plane. It can be proved that at least a part of the crystal axes are oriented in different directions in the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
[0085]
The configuration of the present invention as described above is achieved when, for example, a seed layer described below is provided.
[0086]
In the present invention, the exchange coupling film is laminated in the order of an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer from the bottom, and below the antiferromagnetic layer, the crystal structure is mainly composed of face centered cubic crystals, and the interface In a direction parallel to{111}It is preferable that a seed layer in which a crystal plane equivalent to the plane is preferentially oriented is formed.
[0087]
Thus, in the present invention, by providing the seed layer below the antiferromagnetic layer, the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are typically in a direction parallel to the film surface.{111}An equivalent crystal plane represented as a plane is preferentially oriented. Thus, by arranging the same crystal plane in a direction parallel to the film surface, it is possible to obtain a larger resistance change rate (ΔR / R) than in the prior art.
[0088]
In the present invention, the seed layer is formed of a NiFe alloy or a Ni—Fe—Y alloy (where Y is at least one selected from Cr, Rh, Ta, Hf, Nb, Zr, and Ti). It is preferable. In the present invention, the seed layer is preferably nonmagnetic at room temperature.
[0089]
In the present invention, it is preferable that an underlayer formed of at least one element selected from Ta, Hf, Nb, Zr, Ti, Mo, and W is formed under the seed layer.
[0090]
In the present invention, it is preferable that at least a part of the interface between the ferromagnetic layer and the seed layer is in an inconsistent state.
[0091]
The antiferromagnetic layer includes elements X and X '(wherein element X' is Ne, Ar, Kr, Xe, Be, B, C, N, Mg, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Ag, Cd, Sn, Hf, Ta, W, Re, Au, Pb, and one or more of rare earth elements Element) and Mn. In this case, the antiferromagnetic material is an interstitial solid solution in which the element X ′ penetrates into the space between the spatial lattices composed of the elements X and Mn, or a crystal lattice composed of the elements X and Mn. It is preferable that a part of the lattice points is a substitutional solid solution substituted with the element X ′. As a result, the lattice constant of the antiferromagnetic layer can be increased, and an atomic arrangement that does not correspond to the atomic arrangement of the ferromagnetic layer at the interface with the ferromagnetic layer can be formed.
[0092]
Incidentally, another important point for obtaining an exchange coupling film having the above-described crystal orientation is the composition ratio of each constituent element constituting the antiferromagnetic layer.
[0093]
In order to obtain a large exchange coupling magnetic field, when an antiferromagnetic layer is formed, the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer remain in an inconsistent state in at least a part of the interface, and the antiferromagnetic layer is subjected to heat treatment. It is necessary to cause an appropriate ordered transformation. However, whether such a mismatched state and the ordered transformation are appropriately caused or not depends largely on the composition ratio of the antiferromagnetic layer.
[0094]
In the present invention, the composition ratio (atomic%) of the element X or the element X + X ′ is preferably 45 (at%) or more and 60 (at%) or less. According to the experimental results to be described later, when the composition ratio of the element X or the element X + X ′ is within the above range, it is at least 1.58 × 10 8.FourAn exchange coupling magnetic field of (A / m) or more can be obtained. More preferably, the composition ratio of the element X or the element X + X ′ is not less than 49 (at%) and not more than 56.5 (at%), whereby 7.9 × 10FourAn exchange coupling magnetic field of (A / m) or more can be obtained.
[0095]
When the composition range is within the above range, the antiferromagnetic layer maintains an inconsistent state at the interface with the ferromagnetic layer, and the antiferromagnetic layer can cause an appropriate ordered transformation by heat treatment.
[0096]
In the state after the heat treatment, the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer have the same equivalent crystal plane preferentially oriented in a direction parallel to the film plane, and at least a crystal axis existing in the crystal plane. Some of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are oriented in different directions.
[0097]
In the present invention, it is preferable that at least a part of the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer is in an inconsistent state after the heat treatment.
[0098]
In the present invention, the exchange coupling film described above can be applied to various magnetoresistive elements.
In the present invention, an antiferromagnetic layer is formed in contact with the antiferromagnetic layer, and the magnetization direction is fixed by an exchange anisotropic magnetic field with the antiferromagnetic layer.Ferromagnetic layerAnd saidFerromagnetic layerA free magnetic layer formed through a nonmagnetic intermediate layer and a magnetization direction of the free magnetic layerFerromagnetic layerIn a magnetoresistive element having a bias layer aligned in the direction intersecting with the magnetization direction of
Formed in contact with the antiferromagnetic layer and the antiferromagnetic layerFerromagnetic layerAre formed by the exchange coupling film according to any one of
[0099]
In the present invention, an antiferromagnetic layer is formed in contact with the antiferromagnetic layer, and the magnetization direction is fixed by an exchange anisotropic magnetic field with the antiferromagnetic layer.Ferromagnetic layerAnd saidFerromagnetic layerIn which an antiferromagnetic exchange bias layer is formed on the upper or lower side of the free magnetic layer with an interval in the track width direction. In a resistance effect element,
SaidAntiferromagnetic layerWhenFerromagnetic layerAre formed of the above-described exchange coupling film, and the magnetization of the free magnetic layer is in a certain direction.
[0100]
Further, the present invention is located in a nonmagnetic intermediate layer stacked above and below a free magnetic layer, above one of the nonmagnetic intermediate layers and below the other nonmagnetic intermediate layer.FerromagneticLayer and one of the aboveFerromagnetic layerAbove and the otherFerromagneticEach layer is located under a layer by an exchange anisotropic magnetic fieldFerromagneticAn antiferromagnetic layer that fixes the magnetization direction of the layer in a fixed direction, and the magnetization direction of the free magnetic layerFerromagneticIn a magnetoresistive element having a bias layer aligned in a direction crossing the magnetization direction of the layer,
Formed in contact with the antiferromagnetic layer and the antiferromagnetic layerFerromagneticThe layer is formed of the exchange coupling film described above.
[0101]
Furthermore, the present invention has a magnetoresistive layer and a soft magnetic layer stacked via a nonmagnetic layer,The magnetoresistive layer is formed of a ferromagnetic layer;In the magnetoresistive element in which the antiferromagnetic layer is formed on the upper side or the lower side of the magnetoresistive layer with an interval in the track width direction,
The antiferromagnetic layer and the magnetoresistive layer are formed of the exchange coupling film described above.
[0102]
The thin film magnetic head according to the present invention is characterized in that shield layers are formed above and below the magnetoresistive element via a gap layer.
[0103]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a cross-sectional view of the entire structure of a single spin-valve magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the present invention as viewed from the ABS side. In FIG. 1, only the central portion of the element extending in the X direction is shown broken away.
[0104]
This single spin-valve magnetoresistive element is provided at the trailing end of a floating slider provided in a hard disk device and detects a recording magnetic field of a hard disk or the like. The moving direction of a magnetic recording medium such as a hard disk is the Z direction, and the direction of the leakage magnetic field from the magnetic recording medium is the Y direction.
[0105]
The lowermost layer in FIG. 1 is an
[0106]
The
[0107]
Here, the “equivalent crystal plane” means a crystal lattice plane expressed using a Miller index,{111}Equivalent (equivalent) crystal planes expressed as planes include (111) plane, (−111) plane, (1-11) plane, (11-1) plane, (−1-11) plane, (1- There are a 1-1) plane, a (-11-1) plane, and a (-1-1-1) plane.
[0108]
That is, in the present invention, the
[0109]
In the present invention, the
[0110]
In order to form the
[0111]
An
[0112]
X-Mn alloys using these platinum group elements have excellent properties as antiferromagnetic materials, such as excellent corrosion resistance, high blocking temperature, and an increased exchange coupling magnetic field (Hex). It is particularly preferable to use Pt among platinum group elements. For example, a PtMn alloy formed by a binary system can be used.
[0113]
In the present invention, the
[0114]
In addition, as the element X ′, an element that penetrates into the space between the spatial lattices composed of the elements X and Mn or replaces part of the lattice points of the crystal lattice composed of the elements X and Mn is used. Is preferred. Here, the solid solution refers to a solid in which components are uniformly mixed in one crystal phase.
[0115]
By using the interstitial solid solution or the substitutional solid solution, the lattice constant of the X-Mn-X 'alloy can be made larger than the lattice constant of the X-Mn alloy film. And the interface structure between the
[0116]
When a gas-based element is used as the element X ′, it is difficult to contain a large amount of the element X ′ in the film. However, in the case of a rare gas, it is only necessary to enter a small amount into the film. The exchange coupling magnetic field generated by the heat treatment can be greatly increased.
[0117]
In the present invention, the composition range of the element X ′ is preferably 0.2 to 10 in at%, and more preferably 0.5 to 5 in at%. In the present invention, the element X is preferably Pt. Therefore, it is preferable to use a Pt—Mn—X ′ alloy.
[0118]
Next, the pinned
[0119]
The pinned
[0120]
For example, the
[0121]
The pinned
[0122]
A nonmagnetic
[0123]
Further, a free
[0124]
The free
[0125]
The
[0126]
As shown in FIG. 1, a
[0127]
Further, a
[0128]
The hard bias layers 5 and 5 are made of, for example, a Co—Pt (cobalt-platinum) alloy or a Co—Cr—Pt (cobalt-chromium-platinum) alloy, and the
[0129]
In the present invention, a backed layer made of a metal material or a nonmagnetic metal such as Cu, Au, or Ag may be formed on the above-described free
[0130]
The
[0131]
By forming the backed layer, the mean free path in electrons of + spin (up spin) contributing to the magnetoresistive effect is extended, and the spin filter effect (spin filter effect) is used to increase the spin. In the valve-type magnetic element, a large resistance change rate can be obtained, and the recording density can be increased.
[0132]
After laminating the above layers, in the present invention, a heat treatment is performed to generate an exchange coupling magnetic field (Hex) at the interface between the
[0133]
The crystal orientation will be described mainly with respect to an exchange coupling film formed of an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer (pinned magnetic layer).
[0134]
In the present invention, as described above, the
[0135]
For example, when the (−111) plane is preferentially oriented in the direction parallel to the film surface, the
[0136]
Furthermore, the pinned
[0137]
In other words, in the present invention, the
[0138]
In the present invention, the crystal plane preferentially oriented in the direction parallel to the film plane is typically{111}The crystal plane is preferably an equivalent crystal plane expressed as a plane because the crystal plane is the closest packed plane. For example, when the environmental temperature and the sense current density in the magnetic head device are increased, thermal stability is particularly required, but the closest surface is parallel to the film surface.{111}When the equivalent crystal plane expressed as a plane is preferentially oriented, it is difficult for atoms to diffuse in the film thickness direction, the thermal stability of the multilayer film interface is increased, and the characteristics can be stabilized.
[0139]
In the present invention, the
[0140]
The cause of such crystal orientation is considered to depend on the state in which the
[0141]
For example, when the material and composition ratio of the
[0142]
When the film is formed epitaxially, the
[0143]
If such crystal orientation occurs in the stage before the heat treatment, the
[0144]
In the present invention, it is considered that the
[0145]
In the present invention, the
[0146]
In the present invention, at least some of the same equivalent crystal axes existing in the crystal planes oriented in the direction parallel to the film surfaces of the
[0147]
Further, whether or not it has the above crystal orientation can be determined by cutting the
[0148]
That is, in the present invention, the crystal grain boundary of the
[0149]
As shown in FIGS. 26 and 28 (FIG. 26 is a transmission electron micrograph (TEM photograph) and FIG. 28 is a schematic diagram of the photograph shown in FIG. 26), in the present invention, the PtMn alloy film (antiferromagnetic layer 4) is formed. The crystal grain boundaries (4) (5) and the crystal grain boundaries (1) (2) (3) formed in the upper layer of the
[0150]
The crystal structure shown in FIGS. 26 and 28 is the same as the crystal structure shown in FIGS. 27 and 29 (FIG. 27 is a transmission electron micrograph (TEM photograph) and FIG. 29 is a schematic diagram of the photograph shown in FIG. 27). Is clearly different. 27 and 29, the crystal grain boundary formed in the PtMn alloy film (antiferromagnetic layer 4) and the crystal grain boundary formed in the layer above the PtMn alloy film are continuous at the interface, and the
[0151]
In the case of an exchange coupling film having a grain boundary as shown in FIGS. 26 and 28 as in the present invention, the
[0152]
In the present invention, after the
[0153]
In the present invention, an electron beam (beam) is first incident from a direction parallel to the interface between the
[0154]
In transmission electron beam diffraction images of the
[0155]
Next, indexing is performed on the diffraction spots. Since the distance r from the beam origin to the diffraction spot is inversely proportional to the lattice spacing d, d can be known by measuring r. Since the plane spacing of each crystal lattice plane {hkl} such as PtMn, CoFe, NiFe, etc. is known to some extent, an indexing of {hkl} equivalent to each diffraction spot can be made. Further, in the literature of general transmission electron beam diffraction images, transmissions in which a specific index of {hkl} is given to each diffraction spot, which is observed or calculated in various directions of crystal grains having a single crystal structure. The electron diffraction pattern is published. Using such a document, the diffraction spots obtained from the transmission electron beam diffraction images of the
[0156]
Then, the beam origins appearing in the transmission electron beam diffraction image of the
[0157]
Alternatively, a transmission electron beam diffraction image is obtained within a range in which both the
[0158]
In the present invention, among the diffraction spots, the same index is applied to the diffraction image of the
[0159]
Further, in the present invention, a second imaginary line connecting the beam origin and the diffraction spot indicating a certain crystal plane, which is positioned in a direction other than the film thickness direction when viewed from the beam origin, with the same indexing. Are shifted from each other in the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer (see FIGS. 16 and 18). This means that the crystal planes that are not oriented in the direction parallel to the film plane are not parallel to each other in the
[0160]
In the present invention, a diffraction image clearly different from the comparative example shown in FIGS. 17 and 19 (FIG. 17 is a transmission electron diffraction image and FIG. 19 is a schematic diagram of the diffraction image shown in FIG. 17) can be obtained. In the comparative examples shown in FIGS. 17 and 19, the same indexing is performed, and diffraction spots showing a crystal plane located in a direction other than the film thickness direction when viewed from the beam origin are connected to the beam origin. This is because the second imaginary lines coincide with each other in the diffraction images of the
[0161]
In the present invention, when a transmission electron beam diffraction image as shown in FIG. 16 is obtained, the same equivalent crystal plane is preferentially oriented in the direction parallel to the film surface of the
[0162]
Therefore, if the spin valve film can obtain the transmission electron beam diffraction image, the
[0163]
In the present invention, it is preferable that the diffraction spots located in the film thickness direction represent an equivalent crystal plane typically represented as a {111} plane.
[0164]
In the present invention, the crystal orientation of the
[0165]
That is, in the present invention, an electron beam (beam) is incident from the direction perpendicular to the interface between the
[0166]
In the transmission electron beam diffraction images of the
[0167]
Next, the diffraction spots are indexed with reference to literatures of transmission electron beam diffraction images in the case of a single crystal structure. The
[0168]
In the present invention, among the diffraction spots, the diffracted image of the
[0169]
23 to 25 (FIG. 23 is a schematic diagram of a diffraction image of an antiferromagnetic layer, FIG. 24 is a schematic diagram of a diffraction image of a pinned magnetic layer, and FIG. 25 is a diagram of FIG. It can be seen that the transmission electron diffraction image of the comparative example shown in FIG.
[0170]
As shown in FIG. 25, the imaginary line (5) (6) connecting from a certain diffraction spot to the beam origin coincides with the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer. is there.
[0171]
In the present invention, when the transmission electron beam diffraction images shown in FIGS. 20 to 22 are obtained, the
[0172]
Therefore, if the spin valve film can obtain the transmission electron beam diffraction image, the
[0173]
As described above, the crystal orientation of the spin-valve type thin film element in the present invention and the feature points of the crystal grain boundary have been described. In order to obtain such crystal orientation and crystal grain boundary, the
[0174]
The non-matching state refers to a state where the arrangement of atoms in the
[0175]
In addition, the
[0176]
It is considered that the above-described inconsistency in the film formation stage and the appropriateness of whether or not to cause a regular transformation largely depend on the composition ratio of each constituent element constituting the
[0177]
In the present invention, the atomic% of the element X or the element X + X ′ of the
[0178]
By using the
[0179]
In the present invention, the atomic% of the element X or the element X + X ′ is preferably set to 49 (at%) or more and 56.5 (at%) or less. As a result, 7.9 × 10FourAn exchange coupling magnetic field of (A / m) or more can be obtained.
[0180]
In the present invention, in the spin valve thin film element having the above-described crystal orientation, at least a part of the interface between the
[0181]
The crystal orientation of the
[0182]
In addition, at least a part of the crystal grain boundary of the
[0183]
When such crystal orientation and grain boundaries exist between the
[0184]
In the present invention, the
[0185]
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the structure of another spin-valve type thin film element.
In this spin-valve type thin film element, from the bottom, the under
[0186]
The material of each layer is the same as that of the spin valve thin film element described in FIG.
[0187]
In the spin-valve type thin film element shown in FIG. 2, the
[0188]
Further, when the
[0189]
For this reason, at least a part of the interface is kept in an inconsistent state, and the
[0190]
The
[0191]
In the spin valve thin film element shown in FIG. 2, the transmission electron beam diffraction images of the
[0192]
In addition, in the present invention, the second imaginary line connecting the origin and the diffraction spot indicating a certain crystal plane, which is assigned the same indexing and is located in a direction other than the film thickness direction when viewed from the beam origin, The diffraction pattern of the antiferromagnetic layer and the diffraction pattern of the ferromagnetic layer are shifted from each other. Alternatively, when viewed from the beam origin, diffraction spots indicating a crystal plane located in a direction other than the film thickness direction appear only in one diffraction image of the antiferromagnetic layer or the ferromagnetic layer.
[0193]
In the above case, the diffraction spots located in the film thickness direction are preferably equivalent crystal planes typically represented as {111} planes.
[0194]
Alternatively, in the spin valve thin film element shown in FIG. 2, transmission electron beam diffraction images of the
[0195]
In the above case, the direction perpendicular to the interface is typically the direction of the equivalent crystal axis represented as the <111> direction, or the crystal plane parallel to the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer is Typically{111}It is preferably an equivalent crystal plane expressed as a plane.
[0196]
When the transmission electron beam diffraction image as described above is obtained, the
[0197]
In the spin valve thin film element having the above transmission electron beam diffraction image, the
[0198]
In the spin valve thin film element shown in FIG. 2, the composition ratio of the element X or the element X + X ′ constituting the
[0199]
In the present invention, the composition ratio of the element X or the element X + X ′ is preferably 49 (at%) or more and 57 (at%) or less. As a result, 7.9 × 10FourAn exchange coupling magnetic field of (A / m) or more can be obtained.
[0200]
Next, FIG. 3 is a partial sectional view showing the structure of another spin-valve type thin film element in the present invention.
[0201]
In FIG. 3, the
[0202]
The
[0203]
The
[0204]
By forming the
[0205]
In FIG. 3, the pinned
[0206]
The free
[0207]
In the spin-valve type thin film element shown in FIG. 3, the
[0208]
Further, when the
[0209]
For this reason, at least a part of the interface is kept in an inconsistent state, and the
[0210]
The
[0211]
In the spin-valve type thin film element shown in FIG. 3, the transmission electron beam diffraction images of the
[0212]
Moreover, in the present invention, the second imaginary line connecting the beam origin and the diffraction spot indicating a certain crystal plane, which is indexed and located in a direction other than the film thickness direction when viewed from the beam origin. Are shifted from each other in the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer. Further, when viewed from the beam origin, diffraction spots indicating a crystal plane located in directions other than the film thickness direction appear only in one diffraction image of the antiferromagnetic layer or the ferromagnetic layer.
[0213]
In the above case, the diffraction spots located in the film thickness direction are preferably equivalent crystal planes typically represented as {111} planes.
[0214]
Alternatively, in the spin valve thin film element shown in FIG. 3, the transmission electron beam diffraction images of the
[0215]
In the above case, the direction perpendicular to the interface is the direction of the equivalent crystal axis typically represented as the <111> direction, or the crystal plane parallel to the interface of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer Is typically{111}It is preferably an equivalent crystal plane expressed as a plane.
[0216]
When the transmission electron beam diffraction image as described above is obtained, the
[0217]
In the spin valve thin film element shown in FIG. 3, the composition ratio of the element X or the element X + X ′ constituting the
[0218]
In the present invention, the composition ratio of the element X or the element X + X ′ is preferably 49 (at%) or more and 56.5 (at%) or less. As a result, 7.9 × 10FourAn exchange coupling magnetic field of (A / m) or more can be obtained.
[0219]
As shown in FIG. 3, exchange bias layers (antiferromagnetic layers) 16 and 16 are formed on the free
[0220]
The
[0221]
In the present invention, the
[0222]
Further, when the
[0223]
For this reason, at least a part of the interface is kept in an inconsistent state, and the
[0224]
The
[0225]
Further, in the spin-valve type thin film element shown in FIG. 3, transmission electron beam diffraction images of the
[0226]
Moreover, in the present invention, the second imaginary line connecting the beam origin and the diffraction spot indicating a certain crystal plane, which is indexed and located in a direction other than the film thickness direction when viewed from the beam origin. Are shifted from each other in the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer. Or, when viewed from the beam origin, diffraction spots indicating a crystal plane located in directions other than the film thickness direction appear only in one diffraction image of the antiferromagnetic layer or the ferromagnetic layer.
[0227]
In the above case, the diffraction spots located in the film thickness direction are preferably equivalent crystal planes typically represented as {111} planes.
[0228]
Alternatively, in the spin valve thin film element shown in FIG. 3, transmission electron beam diffraction images of the
[0229]
In the above case, the direction perpendicular to the interface is the direction of the equivalent crystal axis typically represented as the <111> direction, or the crystal plane parallel to the interface of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer Is typically{111}It is preferably an equivalent crystal plane expressed as a plane.
[0230]
In the spin valve thin film element having the transmission electron diffraction image as described above, the
[0231]
At both ends of the free
[0232]
In the single spin valve magnetoresistive element thus formed, the magnetization in the track width Tw region of the free
[0233]
FIG. 4 is a partial sectional view showing the structure of another spin-valve type thin film element in the present invention.
[0234]
In the spin-valve type thin film element shown in FIG. 4, a pair of seed layers 22 spaced apart by a track width Tw is formed in the track width direction (X direction in the drawing), and exchange bias layers 16 and 16 are formed on the
[0235]
Between the pair of seed layers 22 and the
[0236]
A free
[0237]
The
[0238]
By performing the heat treatment, the
[0239]
In the present invention, after the heat treatment, the
[0240]
Further, when the
[0241]
For this reason, at least a part of the interface is kept in an inconsistent state, and the
[0242]
The
[0243]
Further, in the spin-valve type thin film element shown in FIG. 4, transmission electron beam diffraction images of the
[0244]
Moreover, in the present invention, the second imaginary line connecting the diffraction origin showing a certain crystal plane and the beam origin, which is the same indexing and is located in a direction other than the film thickness direction when viewed from the origin, The diffraction pattern of the antiferromagnetic layer and the diffraction pattern of the ferromagnetic layer are shifted from each other. Alternatively, when viewed from the beam origin, diffraction spots indicating a crystal plane located in a direction other than the film thickness direction appear only in one diffraction image of the antiferromagnetic layer or the ferromagnetic layer.
[0245]
In the above case, it is preferable that the diffraction spots located in the film thickness direction show an equivalent crystal plane typically represented as a {111} plane.
[0246]
Alternatively, in the spin valve thin film element shown in FIG. 4, transmission electron beam diffraction images of the
[0247]
In the above case, the direction perpendicular to the interface is the direction of the equivalent crystal axis typically represented as the <111> direction, or the crystal plane parallel to the interface of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer Is typically{111}It is preferably an equivalent crystal plane expressed as a plane.
[0248]
When the transmission electron beam diffraction image as described above is obtained, the
[0249]
At both ends of the free
[0250]
As shown in FIG. 4, a nonmagnetic
[0251]
In the present invention, after the heat treatment, the
[0252]
Further, when the
[0253]
For this reason, at least a part of the interface is kept in an inconsistent state, and the
[0254]
The
[0255]
In the spin-valve type thin film element shown in FIG. 4, the transmission electron beam diffraction images of the
[0256]
Moreover, in the present invention, the second imaginary line connecting the beam origin and the diffraction spot indicating a certain crystal plane, which is indexed and located in a direction other than the film thickness direction when viewed from the beam origin. Are shifted from each other in the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer. Alternatively, when viewed from the beam origin, diffraction spots indicating a crystal plane located in a direction other than the film thickness direction appear only in one diffraction image of the antiferromagnetic layer or the ferromagnetic layer.
[0257]
In the above case, it is preferable that the diffraction spots located in the film thickness direction show an equivalent crystal plane typically represented as a {111} plane.
[0258]
Alternatively, in the spin valve thin film element shown in FIG. 4, the transmission electron beam diffraction images of the
[0259]
In the above case, the direction perpendicular to the interface is typically the direction of the equivalent crystal axis represented as the <111> direction, or the crystal plane parallel to the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer is Typically{111}It is preferably an equivalent crystal plane expressed as a plane.
[0260]
When the transmission electron beam diffraction image as described above is obtained, the
[0261]
FIG. 5 is a partial sectional view showing the structure of a dual spin-valve type thin film element in the present invention.
[0262]
As shown in FIG. 5, the
[0263]
Hard bias layers 5 and 5 and
[0264]
In this embodiment, a
[0265]
In the present invention, after the heat treatment, the crystal orientation of the
[0266]
Further, when the
[0267]
For this reason, at least a part of the interface is kept in an inconsistent state, and the
[0268]
The
[0269]
In the dual spin-valve type thin film element shown in FIG. 5, not only the fixed
[0270]
In other words, in the present invention, the
[0271]
Further, when the
[0272]
For this reason, at least a part of the interface is kept in an inconsistent state, and the
[0273]
The
[0274]
In the spin valve thin film element shown in FIG. 5, the transmission electron beam diffraction images of the
[0275]
Moreover, in the present invention, the second imaginary line connecting the beam origin and the diffraction spot indicating a certain crystal plane, which is indexed and located in a direction other than the film thickness direction when viewed from the beam origin. Are shifted from each other in the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer. Alternatively, when viewed from the beam origin, diffraction spots indicating a crystal plane located in a direction other than the film thickness direction appear only in one diffraction image of the antiferromagnetic layer or the ferromagnetic layer.
[0276]
In the above case, it is preferable that the diffraction spots located in the film thickness direction show an equivalent crystal plane typically represented as a {111} plane.
[0277]
Alternatively, in the spin valve thin film element shown in FIG. 5, the transmission electron beam diffraction images of the
[0278]
In the above case, the direction perpendicular to the interface is the direction of the equivalent crystal axis typically represented as the <111> direction, or the crystal plane parallel to the interface of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer Is typically{111}It is preferably an equivalent crystal plane expressed as a plane.
[0279]
When the transmission electron beam diffraction image as described above is obtained, the
[0280]
6 and 7 are cross-sectional views showing the structure of the AMR magnetoresistive element of the present invention. As shown in FIG. 6, a soft magnetic layer (SAL layer) 18, a nonmagnetic layer (SHUNT layer) 19, and a magnetoresistive layer (MR layer) 20 are successively stacked from the bottom.
[0281]
For example, the soft
[0282]
On the
[0283]
In FIG. 7, a pair of seed layers 22 is formed with an interval of the track width Tw in the track width direction (X direction in the drawing). Exchange bias layers 21 and 21 are formed on the
[0284]
A magnetoresistive layer (MR layer) 20, a nonmagnetic layer (SHUNT layer) 19, and a soft magnetic layer (SAL layer) 18 are stacked on the exchange bias layers 21, 21 and the insulating
[0285]
In the present invention, the
[0286]
Further, when the
[0287]
For this reason, at least a part of the interface is kept in an inconsistent state, and the
[0288]
The
[0289]
6 and 7, the transmission electron beam diffraction images of the
[0290]
In addition, in the present invention, the second imaginary line connecting the origin and the diffraction spot indicating a certain crystal plane, which is indexed and located in a direction other than the film thickness direction when viewed from the origin, The diffraction pattern of the antiferromagnetic layer and the diffraction pattern of the ferromagnetic layer are shifted from each other. Alternatively, when viewed from the beam origin, diffraction spots indicating a crystal plane located in a direction other than the film thickness direction appear only in one diffraction image of the antiferromagnetic layer or the ferromagnetic layer.
[0291]
In the above case, it is preferable that the diffraction spots located in the film thickness direction show an equivalent crystal plane typically represented as a {111} plane.
[0292]
Alternatively, in the AMR thin film element shown in FIGS. 6 and 7, transmission electron beam diffraction images of the
[0293]
In the above case, the direction perpendicular to the interface is the direction of the equivalent crystal axis typically represented as the <111> direction, or the crystal plane parallel to the interface of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer Is typically{111}It is preferably an equivalent crystal plane expressed as a plane.
[0294]
When the transmission electron beam diffraction image as described above is obtained, the
[0295]
In the AMR type thin film element shown in FIGS. 6 and 7, the E of the
[0296]
The moving direction of the recording medium is the Z direction. When a leakage magnetic field is applied in the Y direction in the figure, the resistance value of the D region of the
[0297]
In addition, although it is about the manufacturing method of the magnetoresistive effect element shown in above-mentioned FIG. 1 thru | or 7, in this invention, it is preferable to form the
[0298]
As described above, the composition ratio of the element X or the element X + X ′ of the
[0299]
Therefore, as one manufacturing method, the
[0300]
In the present invention, after the heat treatment, the interface between the
[0301]
In order to keep the interface in an inconsistent state in the film formation stage, it is preferable to form the
[0302]
FIG. 8 is a schematic diagram showing a state in which each layer of the laminated film shown in FIG. 1 is formed. As shown in FIG. 8, after forming the
[0303]
However, in the film forming stage, the composition ratio of the element X or the element X + X ′ constituting the first and third
[0304]
Further, the second
[0305]
Thus, the composition ratio of the element X or the element X + X ′ of the first
[0306]
The composition ratio of the element X or the element X + X ′ in the first
[0307]
The composition ratio of the element X or the element X + X ′ of the second
[0308]
The
[0309]
Alternatively, in the present invention, even when the
[0310]
First, when the
[0311]
According to this method, the composition ratio (atomic%) of the element X or the element X + X ′ gradually decreases from the interface with the
[0312]
For this reason, the composition ratio (atomic%) of the element X or the element X + X ′ is the largest near the interface between the
[0313]
The composition of the element X or the element X + X ′ when the composition ratio of all elements constituting the
[0314]
In the vicinity of the center of the
[0315]
FIG. 9 is a schematic diagram of a spin valve thin film element showing a state after heat treatment is performed on the laminated film shown in FIG.
[0316]
In the present invention, the first and third
[0317]
In the spin-valve thin film element after the heat treatment, the
[0318]
Further, when the
[0319]
The
[0320]
In the case of the spin-valve type thin film element shown in FIG. 2, the
[0321]
When the
[0322]
In the case of the spin valve thin film element of FIG. 3, the
[0323]
Further, the
[0324]
It is considered that the
[0325]
Further, it is considered that the
[0326]
Further, in the method of manufacturing the spin valve thin film element shown in FIG. 4, the
[0327]
The
[0328]
It is considered that the
[0329]
Further, it is considered that the
[0330]
In the method of manufacturing the dual spin valve thin film element shown in FIG. 5, as shown in FIG. 10, the
[0331]
The thicknesses and compositions of the first
[0332]
After film formation as shown in FIG. 10, heat treatment is performed. This state is shown in FIG. In FIG. 11, the three-layer film constituting the
[0333]
The two-layer film constituting the
[0334]
Next, in the manufacturing method of the AMR type thin film element shown in FIG. 6, the
[0335]
When heat treatment is performed, the
[0336]
In the
[0337]
Further, in the method of manufacturing the AMR type thin film element shown in FIG. 7, the
[0338]
When heat treatment is performed, the
[0339]
In the
[0340]
FIG. 12 is a cross-sectional view of the structure of the read head in which the magnetoresistive effect element shown in FIGS. 1 to 11 is formed, as viewed from the surface facing the recording medium.
[0341]
[0342]
The lower gap layer 41 and the
[0343]
In the present invention, even if the thickness of the
[0344]
In the present invention, the embodiment in which the
[0345]
In the present invention, the crystal grain boundary of the
[0346]
【Example】
In the present invention, the spin valve film having the film configuration described below is formed, and the relationship between the Pt amount and the exchange coupling magnetic field (Hex) is changed while changing the Pt amount of the PtMn alloy film constituting the antiferromagnetic layer. Examined.
[0347]
From the bottom, the membrane structure
Si substrate / alumina / underlayer: Ta (3 nm) / seed layer: NiFe (3 nm) / antiferromagnetic layer: PtxMn100-x(15 nm) / pinned magnetic layer: [Co (1.5 nm) / Ru (0.8 nm) / Co (2.5 nm)] / nonmagnetic intermediate layer: Cu (2.3 nm) / free magnetic layer: [Co ( 1 nm) / NiFe (3 nm)] / backed layer: Cu (1.5 nm) / protective layer: Ta (3 nm)
The numerical values in parentheses written in each layer indicate the film thickness.
[0348]
After the spin valve film having the above film structure was formed, heat treatment was performed at 200 ° C. or more for 2 hours or more, and the exchange coupling magnetic field was measured. The experimental results are shown in FIG.
[0349]
As shown in FIG. 13, when the Pt amount X increases to about 50 (at%) to about 55 (at%), it can be seen that the exchange coupling magnetic field (Hex) also increases. It can also be seen that the exchange coupling magnetic field gradually decreases when the Pt amount X is about 55 (at%) or more.
[0350]
In the present invention, the exchange coupling magnetic field is 1.58 × 10 6. Four (A / m) or more was obtained as a preferable Pt amount, and the preferable Pt amount was set to 45 (at%) or more and 60 (at%) or less from the experimental results shown in FIG.
[0351]
In the present invention, the exchange coupling magnetic field is 7.9 × 10 6. Four A more preferable Pt amount was obtained when (A / m) or more was obtained, and a more preferable Pt amount was set to 49 (at%) or more and 56.5 (at%) or less from the experimental results shown in FIG.
[0352]
The change in the magnitude of the exchange coupling magnetic field depending on the amount of Pt as described above is because the state of the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer (pinned magnetic layer) is changed by changing the amount of Pt. It is believed that there is.
[0353]
Here, it is known that the lattice constant of the antiferromagnetic layer increases as the amount of Pt increases. Therefore, by increasing the amount of Pt, the difference in lattice constant between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer can be widened, and the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer can be easily brought into a mismatched state.
[0354]
On the other hand, the crystal orientation of each layer such as the antiferromagnetic layer formed on the seed layer by forming the seed layer below the antiferromagnetic layer as in the film configuration described above is the same as that of the seed layer. In a direction parallel to the film surface{111}It becomes easy to preferentially orient the plane.
[0355]
Also, the larger the amount of Pt, the better. This is because if the amount of Pt is excessively large, the antiferromagnetic layer cannot cause proper ordered transformation even if heat treatment is performed.
[0356]
In the present invention, the seed layer is laid on the lower side of the antiferromagnetic layer, and the Pt amount constituting the antiferromagnetic layer is likely to undergo regular transformation, and the interface with the ferromagnetic layer is easily maintained in an inconsistent state. Due to the formation of the composition, when the heat treatment is performed, the antiferromagnetic layer undergoes an appropriate ordered transformation while maintaining an inconsistent state at the interface with the ferromagnetic layer, and in the state after the heat treatment, the antiferromagnetic layer In the ferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, the same equivalent crystal plane is preferentially oriented in a direction parallel to the film surface, and at least a part of the same equivalent crystal axis direction existing in the crystal plane is the anti-strength. The magnetic layer and the ferromagnetic layer have crystal orientations facing in different directions.
[0357]
Further, when a cross section obtained by cutting the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer from a direction parallel to the film thickness is observed, the crystal grain boundary of the antiferromagnetic layer and the crystal grain boundary of the ferromagnetic layer are This is a discontinuous state at least at a part of the interface between the magnetic layer and the ferromagnetic layer.
[0358]
【The invention's effect】
As described in detail above, in the exchange coupling film according to the present invention, the crystal planes oriented in the direction parallel to the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are preferentially aligned with each other and exist in the crystal plane. In this case, at least a part of the same crystal axis is directed in different directions in the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
[0359]
When such crystal orientation occurs, the antiferromagnetic layer has undergone appropriate regular transformation by heat treatment, and a large exchange coupling magnetic field can be obtained compared to the conventional case.
[0360]
In the present invention, it is preferable to form a seed layer below the antiferromagnetic layer. By providing the seed layer, the crystal orientation of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer formed on the seed layer can be preferentially oriented in the same crystal plane in a direction parallel to the film surface. Further, when the same crystal plane is preferentially oriented in the direction parallel to the film surface, the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer can increase the resistance change rate.
[0361]
The above-described exchange coupling film can be applied to various magnetoresistive effect elements, and the magnetoresistive effect element having the exchange coupling film can appropriately cope with future higher recording density.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a structure of a single spin-valve magnetoresistive element according to a first embodiment of the present invention, viewed from the ABS surface side;
FIG. 2 is a cross-sectional view of the structure of a single spin-valve magnetoresistive element according to a second embodiment of the present invention as viewed from the ABS side;
FIG. 3 is a cross-sectional view of the structure of a single spin-valve magnetoresistive element according to a third embodiment of the present invention as viewed from the ABS side;
FIG. 4 is a cross-sectional view of the structure of a single spin-valve magnetoresistive effect element according to a fourth embodiment of the present invention as viewed from the ABS side;
FIG. 5 is a cross-sectional view of the structure of a dual spin valve magnetoresistive effect element according to a fifth embodiment of the present invention as viewed from the ABS side;
FIG. 6 is a cross-sectional view of the structure of an AMR magnetoresistive element according to a sixth embodiment of the present invention viewed from the ABS side;
FIG. 7 is a cross-sectional view of the structure of an AMR magnetoresistive element according to a seventh embodiment of the present invention, viewed from the ABS surface side;
FIG. 8 is a schematic diagram showing the state of the magnetoresistive element shown in FIG.
9 is a schematic diagram showing a structure of the laminated film after heat treatment is performed on the laminated film shown in FIG.
10 is a schematic diagram showing a state of a film formation stage of the magnetoresistive effect element shown in FIG.
11 is a schematic view showing the structure of the laminated film after heat treatment is performed on the laminated film shown in FIG.
FIG. 12 is a partial cross-sectional view showing the structure of a thin film magnetic head (reproducing head) in the present invention;
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the Pt amount and the exchange coupling magnetic field (Hex) when the Pt amount of the antiferromagnetic layer (PtMn alloy film) is changed;
FIG. 14 is a diagram schematically showing the crystal orientation of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer of the exchange coupling film in the present invention;
FIG. 15 is a diagram schematically showing the crystal orientation of an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer of an exchange coupling film in a comparative example;
FIG. 16 is a transmission electron diffraction image from a direction parallel to the film surface of the spin valve film in the present invention;
FIG. 17 is a transmission electron diffraction image from a direction parallel to the film surface of a spin valve film in a comparative example;
FIG. 18 is a partial schematic diagram of the transmission electron beam diffraction image shown in FIG.
FIG. 19 is a partial schematic diagram of the transmission electron beam diffraction image shown in FIG.
FIG. 20 is a schematic diagram of a transmission electron beam diffraction image from a direction perpendicular to the film surface of the antiferromagnetic layer in the present invention;
FIG. 21 is a schematic diagram of a transmission electron beam diffraction image from a direction perpendicular to the film surface of the ferromagnetic layer in the present invention;
22 is a schematic diagram in which the transmission electron diffraction images of FIGS. 20 and 21 are superimposed,
FIG. 23 is a schematic diagram of a transmission electron diffraction image from a direction perpendicular to the film surface of the antiferromagnetic layer in a comparative example;
FIG. 24 is a schematic diagram of a transmission electron beam diffraction image from a direction perpendicular to the film surface of a ferromagnetic layer in a comparative example;
FIG. 25 is a schematic diagram in which the transmission electron diffraction images of FIGS.
FIG. 26 is a transmission electron micrograph of the cut surface of the spin valve thin film element according to the present invention cut from a direction parallel to the film thickness;
FIG. 27 is a transmission electron micrograph of the cut surface when a spin valve thin film element in a comparative example was cut from a direction parallel to the film thickness;
FIG. 28 is a partial schematic diagram of the transmission electron micrograph shown in FIG.
FIG. 29 is a partial schematic diagram of the transmission electron micrograph shown in FIG. 27;
[Explanation of symbols]
1 Free magnetic layer
2 Nonmagnetic intermediate layer
3 Pinned magnetic layer (ferromagnetic layer)
4 Antiferromagnetic layer
5 Hard bias layer
6 Underlayer
7 Protective layer
8 Conductive layer
14, 23 First antiferromagnetic layer
15, 24 Second antiferromagnetic layer
16, 21 Exchange bias layer
17, 26 Insulating layer
18 Soft magnetic layer (SAL layer)
19 Nonmagnetic layer (SHUNT layer)
20 Magnetoresistive layer (MR layer)
22 Seed layer
25 Third antiferromagnetic layer
42 Magnetoresistive element
Claims (24)
前記反強磁性層は、元素X(ただしXは、Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうち1種または2種以上の元素である)とMnとを含有する反強磁性材料で形成され、
前記反強磁性層と強磁性層の前記界面と平行な結晶面は、互いに同じ等価な結晶面が優先配向し、前記結晶面内に存在する、同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層及び強磁性層とで互いに異なる方向を向いていることを特徴とする交換結合膜。Exchange coupling in which an antiferromagnetic layer is formed in contact with a ferromagnetic layer, an exchange coupling magnetic field is generated at the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is made constant. In the membrane,
The antiferromagnetic layer is formed of an antiferromagnetic material containing element X (where X is one or more of Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, and Os) and Mn. And
The crystal plane parallel to the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer is preferentially oriented to the same equivalent crystal plane, and at least a part of the same equivalent crystal axis existing in the crystal plane is the An exchange coupling film, wherein the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are oriented in different directions.
前記界面と平行方向から電子線を入射させて得られた反強磁性層及び強磁性層の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、
前記回折斑点のうち、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、前記反強磁性層の回折像及び強磁性層の回折像とで互いに一致し、
同じ指数付けがなされ、且つ前記ビーム原点からみたときに前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第二仮想線は、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで互いにずれていることを特徴とする交換結合膜。Exchange coupling in which an antiferromagnetic layer is formed in contact with a ferromagnetic layer, an exchange coupling magnetic field is generated at the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is made constant. In the membrane,
In the transmission electron beam diffraction images of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer obtained by making an electron beam incident from a direction parallel to the interface, diffraction spots corresponding to reciprocal lattice points representing each crystal plane of each layer are obtained. Appear,
Among the diffraction spots, the diffraction spots of the antiferromagnetic layer and the diffraction pattern of the ferromagnetic layer are indexed the same and located in the film thickness direction when viewed from the beam origin. The first imaginary line connecting the beam origin coincides with the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer,
The second imaginary line connecting the diffraction spot showing a certain crystal plane and the beam origin, which is the same indexing and is located in a direction other than the film thickness direction when viewed from the beam origin, is an antiferromagnetic An exchange coupling film, wherein the diffraction image of the layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer are shifted from each other.
前記界面と平行方向から電子線を入射させて得られた反強磁性層及び強磁性層の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、
前記回折斑点のうち、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで同じ指数付けがなされ且つビーム原点からみたときに膜厚方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点と、前記ビーム原点とを結んだ第一仮想線は、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで互いに一致し、
前記ビーム原点からみたときに、前記膜厚方向以外の方向に位置する、ある結晶面を示す回折斑点が反強磁性層あるいは強磁性層の回折像の一方のみに現れることを特徴とする特徴とする交換結合膜。Exchange coupling in which an antiferromagnetic layer is formed in contact with a ferromagnetic layer, an exchange coupling magnetic field is generated at the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is made constant. In the membrane,
In the transmission electron beam diffraction images of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer obtained by making an electron beam incident from a direction parallel to the interface, diffraction spots corresponding to reciprocal lattice points representing each crystal plane of each layer are obtained. Appear,
Among the diffraction spots, the diffraction spots of the antiferromagnetic layer and the diffraction pattern of the ferromagnetic layer are indexed the same and located in the film thickness direction when viewed from the beam origin. The first imaginary line connecting the beam origin coincides with the diffraction image of the antiferromagnetic layer and the diffraction image of the ferromagnetic layer,
When viewed from the beam origin, a diffraction spot indicating a crystal plane located in a direction other than the film thickness direction appears only in one of the diffraction images of the antiferromagnetic layer or the ferromagnetic layer, and Exchange coupling membrane.
前記界面と垂直方向から電子線を入射させて得られた反強磁性層及び強磁性層の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、
前記回折斑点のうち、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで同じ指数付けがなされた、ある回折斑点からビーム原点までを結んだ仮想線は、反強磁性層の回折像と強磁性層の回折像とで互いにずれていることを特徴とする交換結合膜。Exchange coupling in which an antiferromagnetic layer is formed in contact with a ferromagnetic layer, an exchange coupling magnetic field is generated at the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is made constant. In the membrane,
In the transmission electron beam diffraction images of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer obtained by making the electron beam incident from the direction perpendicular to the interface, diffraction spots corresponding to reciprocal lattice points representing the crystal planes of the respective layers are obtained. Appear,
Among the diffraction spots, an imaginary line connecting the diffraction spot of the antiferromagnetic layer and the diffraction pattern of the ferromagnetic layer, from the diffraction spot to the beam origin, is a diffraction image of the antiferromagnetic layer. And the diffraction pattern of the ferromagnetic layer are deviated from each other.
前記界面と垂直方向から電子線を入射させて得られた反強磁性層及び強磁性層の透過電子線回折像には、それぞれの層の各結晶面を表す逆格子点に対応した回折斑点が現れ、
前記回折斑点のうち、ある指数付けがされた回折斑点が、反強磁性層あるいは強磁性層の回折像の一方のみに現れ、
前記反強磁性層と強磁性層の前記界面と平行な結晶面は、互いに同じ等価な結晶面が優先配向し、前記結晶面内に存在する、同じ等価な結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層及び強磁性層とで互いに異なる方向を向いていることを特徴とする交換結合膜。Exchange coupling in which an antiferromagnetic layer is formed in contact with a ferromagnetic layer, an exchange coupling magnetic field is generated at the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is made constant. In the membrane,
In the transmission electron beam diffraction images of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer obtained by making the electron beam incident from the direction perpendicular to the interface, diffraction spots corresponding to reciprocal lattice points representing the crystal planes of the respective layers are obtained. Appear,
Among the diffraction spots, diffraction spots with an index appear only in one of the diffraction images of the antiferromagnetic layer or the ferromagnetic layer,
The crystal plane parallel to the interface between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer is preferentially oriented to the same equivalent crystal plane, and at least a part of the same equivalent crystal axis existing in the crystal plane is the An exchange coupling film, wherein the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are oriented in different directions.
前記反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された強磁性層とが、請求項1ないし請求項19のいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。An antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer formed in contact with the antiferromagnetic layer, the magnetization direction of which is fixed by an exchange anisotropic magnetic field with the antiferromagnetic layer, and a nonmagnetic intermediate layer on the ferromagnetic layer In a magnetoresistive element having a free magnetic layer formed via a bias layer that aligns the magnetization direction of the free magnetic layer in a direction crossing the magnetization direction of the ferromagnetic layer,
The antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer formed in contact with the antiferromagnetic layer are formed of the exchange coupling film according to any one of claims 1 to 19. Magnetoresistive effect element.
前記反強磁性層と強磁性層とが、請求項1ないし請求項19のいずれかに記載された交換結合膜により形成され、前記フリー磁性層の磁化が一定方向にされることを特徴とする磁気抵抗効果素子。An antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer formed in contact with the antiferromagnetic layer, the magnetization direction of which is fixed by an exchange anisotropic magnetic field with the antiferromagnetic layer, and a nonmagnetic intermediate layer on the ferromagnetic layer A magnetoresistive effect element having an antiferromagnetic exchange bias layer formed on the upper or lower side of the free magnetic layer and spaced apart in the track width direction. ,
The antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are formed of the exchange coupling film according to any one of claims 1 to 19, and the magnetization of the free magnetic layer is set in a certain direction. Magnetoresistive effect element.
前記反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された強磁性層とが、請求項1ないし請求項19のいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。A nonmagnetic intermediate layer stacked above and below a free magnetic layer, a ferromagnetic layer located above one of the nonmagnetic intermediate layers and below the other nonmagnetic intermediate layer, and above the one ferromagnetic layer and Located under the other ferromagnetic layer, an antiferromagnetic layer that fixes the magnetization direction of each ferromagnetic layer in a fixed direction by an exchange anisotropic magnetic field, and the magnetization direction of the free magnetic layer In a magnetoresistive element having a bias layer aligned with a direction crossing the magnetization direction of the layer,
The antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer formed in contact with the antiferromagnetic layer are formed of the exchange coupling film according to any one of claims 1 to 19. Magnetoresistive effect element.
前記反強磁性層と磁気抵抗層とが、請求項1ないし請求項19のいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。The magnetoresistive layer includes a magnetoresistive layer and a soft magnetic layer that are stacked with a nonmagnetic layer interposed therebetween. In a magnetoresistive element with an antiferromagnetic layer formed,
A magnetoresistive effect element, wherein the antiferromagnetic layer and the magnetoresistive layer are formed of the exchange coupling film according to any one of claims 1 to 19.
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